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JP5054463B2 - Josephson junction element, formation method thereof, and superconducting junction circuit - Google Patents

Josephson junction element, formation method thereof, and superconducting junction circuit Download PDF

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Description

本発明は、酸化物超電導体を用いたジョセフソン接合素子およびその形成方法、並びにジョセフソン接合素子を用いた超電導接合回路に関する。   The present invention relates to a Josephson junction element using an oxide superconductor, a method for forming the same, and a superconducting junction circuit using the Josephson junction element.

1987年に臨界温度が92KのYBa2Cu3y(YBCO)の銅酸化物超電導体が発見されて以来、酸化物超電導体の研究が盛んに行われている。酸化物超電導体を用いたジョセフソン接合素子は、高いIcRn積と、高い接合の超電導転移温度が得られる。IcRn積は、ある温度において超電導接合に流れることのできる最大超電導電流値(臨界電流値)Icと超電導状態が壊れて常伝導状態になった際の抵抗値Rnとの積であり、定性的にはスイッチング時の信号の大きさや感度の大きさを表す指標である。そのため、このようなジョセフソン接合素子を利用して、40K以上の温度での超電導接合回路の高速動作や、センサの高感度化が図られる。 Since the discovery of a copper oxide superconductor of YBa 2 Cu 3 O y (YBCO) with a critical temperature of 92K in 1987, research on oxide superconductors has been actively conducted. A Josephson junction element using an oxide superconductor has a high IcRn product and a high junction superconducting transition temperature. The IcRn product is a product of the maximum superconducting current value (critical current value) Ic that can flow in the superconducting junction at a certain temperature and the resistance value Rn when the superconducting state is broken and becomes a normal conducting state. Is an index representing the magnitude of the signal and the sensitivity at the time of switching. Therefore, using such a Josephson junction element, high-speed operation of the superconducting junction circuit at a temperature of 40 K or higher and high sensitivity of the sensor can be achieved.

酸化物超電導体を用いたデバイスの実現には、ジョセフソン効果を利用したジョセフソン接合素子の作製技術が必要不可欠となる。酸化物超電導体を用いたジョセフソン接合素子としては、バイクリスタル型、マイクロブリッジ型、ステップエッジ型、ランプエッジ型等の様々な構造が提案されている。   In order to realize a device using an oxide superconductor, a fabrication technique of a Josephson junction element using the Josephson effect is indispensable. As a Josephson junction element using an oxide superconductor, various structures such as a bicrystal type, a micro bridge type, a step edge type, and a lamp edge type have been proposed.

バイクリスタル型の接合は、結晶方位の異なる面を張り合わせた基板上に超電導膜を堆積することで、その基板境界上で超電導膜中にバリア層として働く結晶粒界が形成されるため、容易に作製することが可能である。この接合を用いたSQUID素子等のデバイスは、既に商品化の段階まで達している。しかしながら、バイクリスタル型は、基板の張り合わせ境界にしか接合を作製できないため、複雑な構造を必要とする高機能デバイス応用には不向きである。   Bicrystal type bonding is easy because a superconducting film is deposited on a substrate with different crystal orientations bonded together, and a grain boundary that acts as a barrier layer is formed in the superconducting film on the substrate boundary. It is possible to produce. Devices such as SQUID elements using this bonding have already reached the stage of commercialization. However, since the bicrystal type can produce a junction only at the bonding boundary of the substrates, it is not suitable for high-function device applications that require a complicated structure.

これに対し、積層型のジョセフソン接合素子や、図1(A)に示す、基板101上に酸化物超電導体からなる下部電極層102と絶縁膜103を介して積層された上部電極層104とが接する斜面にバリア層102aを介して形成された接合部を有するランプエッジ型のジョセフソン接合素子では、接合形成場所に制限がなく、超電導接合回路の大規模集積化に大変有利である。これらの構造のバリア層にはPrBa2Cu3Oy、SrTiO3、PrGaO3、CeO2等の非超電導材料を用いたものや、界面改質型接合(Interface−Engineered Junction)を用いたものが多数報告されている。なかでも界面改質型接合は、図1(B)に示すように、基板101上に下部電極層102と絶縁膜103を積層し、下部電極層に形成した斜面をArイオンの衝撃によりアモルファス化させて数nmの薄いバリア層を形成し、バリア層を覆う上部電極層を形成するプロセスにより作製される。そのため、界面改質型接合のジョセフソン接合素子は、非超電導材料を用いた接合に比べ接合特性のばらつきを抑制させ、比較的高いIcRn積を有する特徴を持っている。 On the other hand, a stacked Josephson junction element, or an upper electrode layer 104 stacked on a substrate 101 with a lower electrode layer 102 made of an oxide superconductor and an insulating film 103 shown in FIG. In the ramp-edge type Josephson junction element having a junction formed on the slope contacting with the barrier layer 102a, there is no limitation on the junction formation location, which is very advantageous for large-scale integration of superconducting junction circuits. Many barrier layers having these structures use non-superconducting materials such as PrBa 2 Cu 3 Oy, SrTiO 3 , PrGaO 3 , and CeO 2 , and many use an interface-modified junction (Interface-Engineered Junction). It has been reported. In particular, as shown in FIG. 1B, in the interface-modified bonding, the lower electrode layer 102 and the insulating film 103 are stacked on the substrate 101, and the slope formed on the lower electrode layer is made amorphous by the impact of Ar ions. Thus, a thin barrier layer having a thickness of several nanometers is formed, and the upper electrode layer covering the barrier layer is formed. Therefore, the Josephson junction element of the interface modification type junction has a characteristic that suppresses variation in junction characteristics and has a relatively high IcRn product as compared with a junction using a non-superconducting material.

界面改質型接合のジョセフソン接合素子では、これまでに、温度4.2Kにおいて100個の接合でIcRn積が1.5〜3mV、Icの1σ(σ:標準偏差)が8%程度の実験結果(非特許文献1参照。)や、温度4.2Kにおいて100個の接合でIcRn積が1.5mV、Icの1σ(σ:標準偏差)が7.9%程度の実験結果(非特許文献2参照。)が報告されている。
T. Satoh et al., "High-Temperature Superconducting Edge-Type Josephson Junctions with Modified Interfaces", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol.9, No.2, June 1999, pp.3141-3144 Y. Soutome et al., "HTS Surface-Modified Junctions with Integrated Ground-Planes for SFQ Circuits", IEICE Trans. Electron. Vol.E85-C, No.3, March 2002, pp.759-763 J. G. Wen et al., "Atomic structure and composition of the barrier in the modified interface high-Tc Josephson junction studied by transmission electron microscopy", Appl. Phys. Lett., Vol.75, No.16, 18 October 1999, pp.2470-2472 S. Adachi et al., "Structure and Formation Mechanism of Interface-Modified Layer in Ramp-Edge Josephson Junctions With La-Doped 123-Type Superconducting Electrodes", IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.13, No.2, June 2003, pp.877-880
In the case of a Josephson junction element with an interface-modified junction, an experiment with 100 junctions at a temperature of 4.2 K and an IcRn product of 1.5 to 3 mV and an Ic 1σ (σ: standard deviation) of about 8% has been conducted so far. Results (see Non-Patent Document 1) and experimental results with an IcRn product of 1.5 mV and an Ic 1σ (σ: standard deviation) of about 7.9% at a temperature of 4.2 K (Non-Patent Document 1) 2) has been reported.
T. Satoh et al., "High-Temperature Superconducting Edge-Type Josephson Junctions with Modified Interfaces", IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 9, No. 2, June 1999, pp.3141-3144 Y. Soutome et al., "HTS Surface-Modified Junctions with Integrated Ground-Planes for SFQ Circuits", IEICE Trans. Electron. Vol.E85-C, No.3, March 2002, pp.759-763 JG Wen et al., "Atomic structure and composition of the barrier in the modified interface high-Tc Josephson junction studied by transmission electron microscopy", Appl. Phys. Lett., Vol. 75, No. 16, 18 October 1999, pp .2470-2472 S. Adachi et al., "Structure and Formation Mechanism of Interface-Modified Layer in Ramp-Edge Josephson Junctions With La-Doped 123-Type Superconducting Electrodes", IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol.13, No.2, June 2003, pp.877-880

ジョセフソン接合のデバイスへの応用を考える場合、システムコスト削減の面から、高温で高速動作、および高感度なジョセフソン接合素子が必須となる。そのためにはより大きなIcRn積を有するジョセフソン接合素子が望まれるが、上記非特許文献1および2では十分なIcRn積が得られていない。   When considering application to Josephson junction devices, a high-speed operation at high temperature and a high-sensitivity Josephson junction element are essential from the viewpoint of system cost reduction. For that purpose, a Josephson junction element having a larger IcRn product is desired, but the above-mentioned Non-Patent Documents 1 and 2 do not provide a sufficient IcRn product.

そこで、本発明の目的は、IcRn積を向上したジョセフソン接合素子およびその形成方法、並びにジョセフソン接合素子を用いた超電導接合回路を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a Josephson junction element having an improved IcRn product, a method for forming the same, and a superconducting junction circuit using the Josephson junction element.

本発明の一観点によれば、第1の超電導電極層と、バリア層と、第2の超電導電極層とがこの順に積層されてなるジョセフソン接合素子であって、前記第1および第2の超電導電極層は、(RE)1(AE)2Cu3yを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であり、前記バリア層は、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されてなり、かつ第1および第2の超電導電極層と組成が異なることを特徴とするジョセフソン接合素子が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a Josephson junction element in which a first superconducting electrode layer, a barrier layer, and a second superconducting electrode layer are stacked in this order, wherein the first and second The superconducting electrode layer is made of an oxide superconducting material mainly composed of (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y , and the element RE includes Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, and Ho. , Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is at least one of the group consisting of Ba, Sr, and Ca, and the barrier layer includes the element RE, the element It is made of a material containing AE, Cu, and oxygen, and among the cations in the material, the Cu content is set to a range of 35 atomic% to 55 atomic%, and the elemental RE content is set to a range of 12 atomic% to 30 atomic%. And the first and second superelectrics Josephson device is provided, wherein the composition an electrode layer are different.

本発明によれば、バリア層が酸化物材料の堆積膜であるので、従来の界面改質型接合のようにバリア層のCu含有量が極めて小さくなる問題を回避でき、良質な超電導接合部を形成できる。その結果、ジョセフソン接合素子のIcRn積を向上できる。さらに、臨界電流Icのばらつきも抑制できる。また、超電導接合部の臨界温度が従来の界面改質型よりも高温になるという効果も有する。その結果、ジョセフソン接合素子の冷却コストが低減できる。なお、第1および第2の超電導電極層の組成は、バリア層と同様の分析方法により検出し、バリア層との界面から例えば10nm程度の組成と比較することが好ましい。この点は本明細書中および特許請求の範囲において同様である。   According to the present invention, since the barrier layer is a deposited film of an oxide material, it is possible to avoid the problem that the Cu content of the barrier layer becomes extremely small as in the conventional interface-modified bonding, and a high-quality superconducting junction can be obtained. Can be formed. As a result, the IcRn product of the Josephson junction element can be improved. Furthermore, variations in the critical current Ic can be suppressed. In addition, there is an effect that the critical temperature of the superconducting junction becomes higher than that of the conventional interface reforming type. As a result, the cooling cost of the Josephson junction element can be reduced. The compositions of the first and second superconducting electrode layers are preferably detected by the same analysis method as that for the barrier layer and compared with, for example, about 10 nm from the interface with the barrier layer. This is the same in the present specification and claims.

本発明の他の観点によれば、基板と、前記基板上に、一側端面が傾斜面からなる第1の超電導電極層と、前記第1の超電導電極層上に、前記傾斜面と連続する傾斜面が端面に形成された絶縁膜と、前記第1の超電導電極層の傾斜面の表面に堆積したバリア層と、前記バリア層を覆う第2の超電導電極層とを備え、前記第1および第2の超電導電極層は、(RE)1(AE)2Cu3yを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であり、前記バリア層は、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されてなり、かつ第1および第2の超電導電極層と組成が異なることを特徴とするジョセフソン接合素子が提供される。 According to another aspect of the present invention, the substrate, the first superconducting electrode layer having one inclined end surface on the substrate, and the inclined surface on the first superconducting electrode layer are continuous. An insulating film having an inclined surface formed on an end surface; a barrier layer deposited on a surface of the inclined surface of the first superconducting electrode layer; and a second superconducting electrode layer covering the barrier layer, The second superconducting electrode layer is made of an oxide superconducting material whose main component is (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y , and the element RE includes Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, At least one selected from the group consisting of Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca; Made of material containing RE, element AE, Cu, and oxygen, the material Among the cations therein, the Cu content is set in the range of 35 atomic% to 55 atomic%, the element RE content is set in the range of 12 atomic% to 30 atomic%, and the first and second superconducting electrode layers There is provided a Josephson junction device characterized by a different composition.

本発明によれば、上記の発明と同様の効果を有するランプエッジ型のジョセフソン接合素子が提供される。   According to the present invention, a ramp-edge type Josephson junction element having the same effect as the above-described invention is provided.

本発明のその他の観点によれば、基板と、前記基板上に形成された第1の超電導電極層と、前記第1の超電導電極層上に、厚さ方向に沿った貫通孔を有する絶縁膜と、前記貫通孔中に、第1の超電導電極層の表面に堆積したバリア層と、前記貫通孔を充填すると共にバリア層および絶縁膜を覆う第2の超電導電極層とを備え、前記第1および第2の超電導電極層は、(RE)1(AE)2Cu3yを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であり、前記バリア層は、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されてなり、かつ第1および第2の超電導電極層と組成が異なることを特徴とするジョセフソン接合素子が提供される。 According to another aspect of the present invention, a substrate, a first superconducting electrode layer formed on the substrate, and an insulating film having a through hole along the thickness direction on the first superconducting electrode layer A barrier layer deposited on the surface of the first superconducting electrode layer in the through hole, and a second superconducting electrode layer filling the through hole and covering the barrier layer and the insulating film. The second superconducting electrode layer is made of an oxide superconducting material mainly composed of (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y , and the element RE is Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd. , Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is at least one of the group consisting of Ba, Sr, and Ca, and the barrier layer includes: From material containing element RE, element AE, Cu, and oxygen Among the cations in the material, the Cu content is set to a range of 35 atomic% to 55 atomic%, the element RE content is set to a range of 12 atomic% to 30 atomic%, and the first and second A Josephson junction device having a composition different from that of the superconducting electrode layer is provided.

本発明によれば、上記の発明と同様の効果を有する積層型のジョセフソン接合素子が提供される。   According to the present invention, there is provided a multilayer Josephson junction element having the same effect as the above-described invention.

本発明のその他の観点によれば、基板上に酸化物超電導材料の第1の超電導電極層を形成する工程と、前記第1の超電導電極層を覆う絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の一部を除去して第1の超電導電極層を露出する工程と、前記露出した第1の超電導電極層の表面に酸化物材料を使用してバリア層を堆積する工程と、前記バリア層を覆う酸化物超電導材料の第2の超電導電極層を形成する工程とを備え、前記酸化物材料は、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含む材料からなり、該元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であることを特徴するジョセフソン接合素子の形成方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a step of forming a first superconducting electrode layer of an oxide superconducting material on a substrate, a step of forming an insulating film covering the first superconducting electrode layer, and the insulating film Removing a part of the first superconducting electrode layer to expose the first superconducting electrode layer; depositing a barrier layer on the exposed surface of the first superconducting electrode layer using an oxide material; and Forming a second superconducting electrode layer of the covering oxide superconducting material, wherein the oxide material is made of a material containing the element RE, the elements AE, Cu, and oxygen, and the element RE is composed of Y, La, At least one selected from the group consisting of Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca. Josepho characterized as a seed Method of forming a junction element is provided.

本発明によれば、バリア層を堆積して形成することで、従来の界面改質型のバリア層と比較して、バリア層の膜質が良好となりIcRn積が向上する。特に、バリア層のCu含有量が、従来の界面改質型では第1の超電導電極層と第2の超電導電極層との間で電流リークが発生するような高いCu含有量であっても結晶中の損傷を回避可能であるので、電流リークを抑止可能である。   According to the present invention, by depositing and forming the barrier layer, the film quality of the barrier layer is improved and the IcRn product is improved as compared with the conventional interface-modified barrier layer. In particular, even if the Cu content of the barrier layer is a high Cu content such that current leakage occurs between the first superconducting electrode layer and the second superconducting electrode layer in the conventional interface reforming type, the crystal Since it is possible to avoid damage inside, current leakage can be suppressed.

本発明によれば、IcRn積を向上したジョセフソン接合素子およびその形成方法、並びにジョセフソン接合素子を用いた超電導接合回路を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the Josephson junction element which improved IcRn product, its formation method, and the superconducting junction circuit using a Josephson junction element can be provided.

本願発明者等は鋭意の研究の結果、ジョセフソン接合素子において、第1および第2の超電導電極層の超電導材料を(RE)1(AE)2Cu3yを主成分とする酸化物超電導材料とし、第1の超電導電極層と第2の超電導電極層との超電導接合部のバリア層に所定の組成範囲の酸化物材料からなる堆積膜を採用することで優れたIcRn積等の接合特性を示すことを知得した。ここで、元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種である。 As a result of diligent research, the inventors of the present application have determined that the superconducting material of the first and second superconducting electrode layers is a superconducting oxide mainly composed of (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y in the Josephson junction element. Excellent junction characteristics such as IcRn product by adopting a deposited film made of an oxide material of a predetermined composition range as a material and as a barrier layer of a superconducting junction between the first superconducting electrode layer and the second superconducting electrode layer It was learned that Here, the element RE is at least one selected from the group consisting of Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is Ba, Sr. And at least one selected from the group consisting of Ca.

本発明のジョセフソン接合素子のバリア層は、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含む堆積膜であり、さらに、バリア層を構成する酸化物材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ、元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されてなり、かつ第1および第2の超電導電極層と組成が異なる。このようなバリア層を用いることで、従来の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子よりも、IcRn積が30%以上向上することを本願発明者等は知得した。この作用は以下のように推察される。   The barrier layer of the Josephson junction device of the present invention is a deposited film containing the element RE, the element AE, Cu, and oxygen, and among the cations in the oxide material constituting the barrier layer, the Cu content is 35. Atomic% to 55 atomic%, and the elemental RE content is set in the range of 12 atomic% to 30 atomic%, and the composition is different from that of the first and second superconducting electrode layers. The inventors of the present application have found that the use of such a barrier layer improves the IcRn product by 30% or more as compared with a Josephson junction element having a conventional interface-modified junction. This effect is presumed as follows.

酸化物超電導材料をジョセフソン接合素子に用いた場合、理論上ではIcRn積は10mV以上であるといわれている。しかしながら、界面改質型接合のジョセフソン接合素子では、実際にはそれほど大きなIcRn積の接合が得られていない。それは、例えば、YBa2Cu3y(Y:Ba:Cu=17:33:50)の酸化物超電導材料をArイオンの衝撃により形成したバリア層は、例えば、Y:Ba:Cu=43:30:27の組成比(非特許文献3)や、(Y+Yb):(Ba+La):Cu=20:(38+10):32の組成比(非特許文献4)であり、著しくCu含有量が減少していることが報告されている。また、両者とも作製した接合のIcRn積は2mV程度で十分とはいえない結果であった。これらの界面改質型接合のバリア層はペロブスカイト型構造を有する結晶相といわれている。ペロブスカイト型構造は化学式ABO3で表され、AイオンおよびBイオンはそれぞれ12個、6個の酸素に囲まれている。比較的イオン半径の大きなカチオン(陽イオン)がAイオンの位置(Aサイト)に、比較的イオン半径の小さなカチオンがBイオンの位置(Bサイト)を占める。ここで、上記の報告のY:Ba:Cu=30:43:27の場合を検討すると、BaイオンはAサイト、CuイオンはBサイトを占める。Yイオンは、AサイトおよびBサイトに同程度分配されなければならない。しかしながら、YイオンがBサイトを占めるのは非常に難しくため、不安定なYは、Y23のような形で析出してしまう可能性がある。実際に接合特性が良くないものでは、界面付近にY23の析出が確認されている。また、バリア層のCu原子が極端に不足した組成の場合は、上部超電導電極の堆積中にバリア層の界面付近でCu原子の拡散がおこり、接合界面付近の超電導性の劣化を引き起こす。これにより超電導接合部の超電導転移温度の低下、およびIcRn積の低下が引き起こされていると推察される。 When an oxide superconducting material is used for a Josephson junction element, it is theoretically said that the IcRn product is 10 mV or more. However, in the Josephson junction element of the interface modification type junction, a junction having a very large IcRn product is not actually obtained. For example, a barrier layer formed by bombarding Ar ions with an oxide superconducting material of YBa 2 Cu 3 O y (Y: Ba: Cu = 17: 33: 50) is, for example, Y: Ba: Cu = 43: The composition ratio is 30:27 (Non-Patent Document 3) and (Y + Yb) :( Ba + La): Cu = 20: (38 + 10): 32 (Non-Patent Document 4), and the Cu content is significantly reduced. It has been reported that In addition, the IcRn product of both the fabricated junctions was about 2 mV, which was not sufficient. The barrier layer of these interface modified junctions is said to be a crystalline phase having a perovskite structure. The perovskite structure is represented by the chemical formula ABO 3 , and A ions and B ions are surrounded by 12 and 6 oxygen atoms, respectively. A cation with a relatively large ion radius (cation) occupies the position of the A ion (A site), and a cation with a relatively small ion radius occupies the position of the B ion (B site). Here, considering the case of Y: Ba: Cu = 30: 43: 27 in the above report, Ba ions occupy the A site and Cu ions occupy the B site. Y ions must be distributed to the A and B sites to the same extent. However, since it is very difficult for Y ions to occupy the B site, unstable Y may be deposited in the form of Y 2 O 3 . In the case where the bonding characteristics are not actually good, precipitation of Y 2 O 3 is confirmed near the interface. In addition, in the case of a composition in which the Cu atoms in the barrier layer are extremely insufficient, Cu atoms diffuse near the interface of the barrier layer during the deposition of the upper superconducting electrode, causing superconducting deterioration near the junction interface. It is presumed that this causes a decrease in the superconducting transition temperature of the superconducting junction and a decrease in the IcRn product.

一方、本発明のジョセフソン接合素子のバリア層は、上述した材料を堆積した膜(堆積膜)であり、その材料中のカチオンのうちCu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されているので、上述した界面改質型接合の場合のような過剰なYイオン(元素REのイオン)や極端なCuイオン不足を回避できる。そのため、本発明のジョセフソン接合素子はIcRn積が増加するものと推察される。以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。   On the other hand, the barrier layer of the Josephson junction element of the present invention is a film (deposited film) obtained by depositing the above-described material. Among the cations in the material, the Cu content is 35 atomic% to 55 atomic%, and the element RE Since the content is set in the range of 12 atomic% to 30 atomic%, it is possible to avoid excessive Y ions (element RE ions) and extreme shortage of Cu ions as in the case of the interface-modified bonding described above. . Therefore, it is presumed that the Josephson junction element of the present invention increases the IcRn product. Embodiments will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
図2は、本発明の第1の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の断面図である。
(First embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view of the Josephson junction element according to the first embodiment of the present invention.

図2を参照するに、第1の実施の形態に係るジョセフソン接合素子10はランプエッジ型構造を有する。ジョセフソン接合素子10は、基板11と、基板11上に形成された下部電極層12と、下部電極層12を覆う絶縁膜13と、基板11の表面、下部電極層12および絶縁膜13の一端に形成された斜面、および絶縁膜13の表面を覆うバリア層14と、バリア層14を覆う上部電極層15から構成される。下部電極層12、バリア層14、および上部電極層15により超電導接合部16が形成されている。   Referring to FIG. 2, the Josephson junction element 10 according to the first embodiment has a ramp edge type structure. The Josephson junction element 10 includes a substrate 11, a lower electrode layer 12 formed on the substrate 11, an insulating film 13 covering the lower electrode layer 12, a surface of the substrate 11, one end of the lower electrode layer 12 and the insulating film 13. The barrier layer 14 that covers the slope formed on the insulating layer 13 and the surface of the insulating film 13, and the upper electrode layer 15 that covers the barrier layer 14. A superconducting junction 16 is formed by the lower electrode layer 12, the barrier layer 14, and the upper electrode layer 15.

基板11は、その基板11上に下部電極層12をエピタキシャル成長させる結晶構造を有する材料から選択される。基板11の材料としては、例えば、MgO、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)、SrTiO3、(LaAlO30.3−(SrAl0.5Ta0.530.7(LSAT)、LaAlO3、およびSrTiO3から選択される。 The substrate 11 is selected from materials having a crystal structure on which the lower electrode layer 12 is epitaxially grown on the substrate 11. As the material of the substrate 11, for example, MgO, yttrium stabilized zirconia (YSZ), SrTiO 3, ( LaAlO 3) 0.3 - (SrAl 0.5 Ta 0.5 O 3) 0.7 (LSAT), LaAlO 3 and SrTiO 3 .

なお、図示を省略するが、基板11上にバッファ層を設けてもよく、その場合バッファ層がその上に下部電極層12をエピタキシャル成長させる結晶構造を有する材料を選択する。バッファ層としては、例えば、SrTiO3、CeO2、BaZrO3等が挙げられる。 Although not shown, a buffer layer may be provided on the substrate 11, and in this case, a material having a crystal structure in which the buffer layer epitaxially grows the lower electrode layer 12 is selected. Examples of the buffer layer include SrTiO 3 , CeO 2 , BaZrO 3 and the like.

下部電極層12および上部電極層15は、(RE)1(AE)2Cu3yを主成分とする酸化物超電導材料からなる。ここで、元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種である。(RE)1(AE)2Cu3yは、ペロブスカイト結晶構造を基本構造としている。なお、(RE)1(AE)2Cu3yは、元素RE、元素AE、Cu、Oのモル比が1:2:3:yであることを示している。また、主成分としたのは、各元素のモル比が1:2:3:yであることが最も良好であるが、下部電極層12および上部電極層15の表面の平坦性の制御や超電導臨界電流値が向上する等の理由により組成のわずかなずれが生じてよいことを意味する。 The lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 are made of an oxide superconducting material containing (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y as a main component. Here, the element RE is at least one selected from the group consisting of Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is Ba, Sr. And at least one selected from the group consisting of Ca. (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y has a perovskite crystal structure as a basic structure. Note that (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y indicates that the molar ratio of the element RE, the elements AE, Cu, and O is 1: 2: 3: y. The main component is that the molar ratio of each element is most preferably 1: 2: 3: y, but the surface flatness of the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 is controlled and superconductivity is achieved. It means that a slight deviation of the composition may occur due to reasons such as improvement of the critical current value.

下部電極層12および上部電極層15として好適な超電導材料は、例えば、YBaCuO系のYBa2Cu3Oy(YBCO)、SmBa2Cu3y(SBCO)、YbBa2Cu3y(YbBCO)等である。 Suitable superconducting materials for the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 include, for example, YBaCuO-based YBa 2 Cu 3 Oy (YBCO), SmBa 2 Cu 3 O y (SBCO), YbBa 2 Cu 3 O y (YbBCO), and the like. It is.

絶縁膜13は、下部電極層12上にエピタキシャル成長し、かつ、絶縁膜13上に上部電極層15をエピタキシャル成長させるペロブカイト構造を基本構造とする絶縁性材料から選択される。絶縁膜13は、例えば、SrSnO3、SrTiO3、PrGaO3等から選択することが好ましい。 The insulating film 13 is selected from an insulating material having a basic structure of a perovskite structure that epitaxially grows on the lower electrode layer 12 and epitaxially grows the upper electrode layer 15 on the insulating film 13. The insulating film 13 is preferably selected from, for example, SrSnO 3 , SrTiO 3 , PrGaO 3 and the like.

バリア層14は、上記元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含み、元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種である材料からなり、その材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定され、下部電極層12および上部電極層15と組成が異なる。バリア層14はこの組成を有すると共に堆積膜であることにより、良質な超電導接合部16が形成され、ジョセフソン接合素子10のIcRn積を向上できる。   The barrier layer 14 includes the element RE, the elements AE, Cu, and oxygen, and the element RE includes Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. It is made of a material that is at least one of the group and the element AE is at least one of the group consisting of Ba, Sr, and Ca, and among the cations in the material, the Cu content is 35 atomic% to 55 atoms %, And the elemental RE content is set in a range of 12 atomic% to 30 atomic%, and the composition is different from that of the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15. Since the barrier layer 14 has this composition and is a deposited film, a high-quality superconducting junction 16 is formed, and the IcRn product of the Josephson junction element 10 can be improved.

図3は、バリア層の組成範囲を示す図であり、RE、AE、およびCuのカチオンのみの三元系の組成を示す図である。図3において、組成を示す点から各辺に垂線を下ろすと、その垂線の長さがその辺に対向する頂点の元素の含有率に比例する。例えば点Aの組成は、RE元素含有率が12原子%、AE元素含有率が33原子%、Cu元素含有率が55原子%となる。図3中の目盛りの数字は原子百分率で示されている。   FIG. 3 is a diagram illustrating the composition range of the barrier layer, and is a diagram illustrating a ternary composition of only the cations of RE, AE, and Cu. In FIG. 3, when a perpendicular is drawn from each point indicating the composition to each side, the length of the perpendicular is proportional to the content of the element at the apex facing the side. For example, the composition at point A has an RE element content of 12 atomic%, an AE element content of 33 atomic%, and a Cu element content of 55 atomic%. The numbers on the scale in FIG. 3 are shown as atomic percentages.

図3を図2と共に参照するに、バリア層14は、カチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定される。この組成範囲は、図中の点ABCDをこの順に直線で結んだ範囲内である。なお、図中点Mは、下部および上部電極層12,15の超電導材料の主成分である(RE)1(AE)20Cu3yの超電導材料のカチオンの組成を示している。 Referring to FIG. 3 together with FIG. 2, the barrier layer 14 is set such that the Cu content is 35 atomic% to 55 atomic% and the element RE content is 12 atomic% to 30 atomic% among the cations. . This composition range is within a range in which the points ABCD in the figure are connected by straight lines in this order. In the figure, the point M indicates the cation composition of the superconducting material of (RE) 1 (AE) 20 Cu 3 O y which is the main component of the superconducting material of the lower and upper electrode layers 12 and 15.

バリア層14を構成する酸化物のCu含有量は、35原子%〜55原子%の範囲に設定されるが、Cu含有量が35原子%を切るとジョセフソン接合素子10のIcRn積の低下が生じ、55原子%を超えるとジョセフソン接合素子10はフラックスフロー(Flux Flow、FF)型の電流電圧特性を示し好ましくない。FF型の電流電圧特性については後ほど説明する。   The Cu content of the oxide constituting the barrier layer 14 is set in a range of 35 atomic% to 55 atomic%. However, when the Cu content is less than 35 atomic%, the IcRn product of the Josephson junction element 10 decreases. When it exceeds 55 atomic%, the Josephson junction element 10 is not preferable because it exhibits a flux flow (FF) type current-voltage characteristic. The FF type current-voltage characteristics will be described later.

また、バリア層14を構成する酸化物のRE含有量は12原子%〜30原子%の範囲に設定されるが、RE含有量が12原子%を切ると元素REの不足が生じペロブスカイト構造を保つのが困難となり、別な相に転移して接合は抵抗型の特性を示す。RE含有量が30原子%を超えると余分なRE原子がRE23等の形で析出し接合特性の低下、例えば、IcRn積の低下を招く。 The RE content of the oxide constituting the barrier layer 14 is set in the range of 12 atomic% to 30 atomic%. However, when the RE content is less than 12 atomic%, the element RE is insufficient and the perovskite structure is maintained. It becomes difficult to transition to another phase, and the junction exhibits a resistance type characteristic. When the RE content exceeds 30 atomic%, extra RE atoms are precipitated in the form of RE 2 O 3 or the like, leading to a decrease in bonding characteristics, for example, a decrease in IcRn product.

さらに、バリア層14の組成は、下部および上部電極層12,15の組成と異なるように設定される。これにより接合界面が形成されバリア層14が障壁層として機能するためである。さらに、バリア層14のCuおよび元素RE含有量がそれぞれ下部および上部電極層12,15の組成と3原子%以上異なることが好ましい。これにより安定したバリア層14の形成が可能となるためである。   Further, the composition of the barrier layer 14 is set to be different from the compositions of the lower and upper electrode layers 12 and 15. This is because a bonding interface is formed and the barrier layer 14 functions as a barrier layer. Further, the Cu and element RE contents of the barrier layer 14 are preferably different from the compositions of the lower and upper electrode layers 12 and 15 by 3 atomic% or more, respectively. This is because a stable barrier layer 14 can be formed.

また、バリア層14の膜厚は、0.5nm〜6nmの範囲に設定されることが好ましい。バリア層14の膜厚が0.5nmを切るとジョセフソン接合素子はFF型の電流電圧特性を示し始め、6nmを超えるとIcRn積の低下、例えば2mV以下への低下を引き起こす場合がある。なお、このようにバリア層14の膜厚が極めて薄いので、後ほど説明するが、バリア層14の組成の分析は、後述するように透過電子顕微鏡の電子ビーム径を1nm以下に設定してバリア層14に照射し、エネルギー分散型X線スペクトロスコピー(EDX)を用いて組成分析を行う。   The film thickness of the barrier layer 14 is preferably set in the range of 0.5 nm to 6 nm. When the thickness of the barrier layer 14 is less than 0.5 nm, the Josephson junction element starts to exhibit FF type current-voltage characteristics. When the thickness exceeds 6 nm, the IcRn product may be reduced, for example, to 2 mV or less. Since the thickness of the barrier layer 14 is extremely thin as described above, the composition of the barrier layer 14 is analyzed by setting the electron beam diameter of the transmission electron microscope to 1 nm or less as will be described later. 14, and composition analysis is performed using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).

以上説明したように、第1の実施の形態に係るジョセフソン接合素子10は、バリア層14が酸化物材料の堆積膜であるので、従来の界面改質型接合のようにバリア層のCu含有量が極めて小さくなる問題を回避でき、良質な超電導接合部16を形成できる。その結果、ジョセフソン接合素子のIcRn積を向上できる。さらに、臨界電流Icのばらつきも抑制できる。また、超電導接合部16の臨界温度が従来の界面改質型よりも高温になるという効果も有する。その結果、ジョセフソン接合素子の冷却コストが低減できる。   As described above, in the Josephson junction element 10 according to the first embodiment, since the barrier layer 14 is a deposited film of an oxide material, the Cu layer contains Cu as in the conventional interface-modified junction. The problem that the amount is extremely small can be avoided, and a high-quality superconducting junction 16 can be formed. As a result, the IcRn product of the Josephson junction element can be improved. Furthermore, variations in the critical current Ic can be suppressed. In addition, there is an effect that the critical temperature of the superconducting junction 16 becomes higher than that of the conventional interface reforming type. As a result, the cooling cost of the Josephson junction element can be reduced.

次に第1の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の形成方法を説明する。   Next, a method for forming a Josephson junction element according to the first embodiment will be described.

図4(A)〜(E)は第1の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の製造工程図である。   4A to 4E are manufacturing process diagrams of the Josephson junction element according to the first embodiment.

最初に、図4(A)の工程では、基板11上に上述した材料を用いて、下部電極層12、絶縁膜13を順に形成する。下部電極層12および絶縁膜13は、真空蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ堆積(PLD)法、化学気相成長法を用いることができる。これらの方法は、上部電極層15や、後に示す図12のジョセフソン接合素子30のバッファ層31を形成する場合も用いることができる。基板温度は、使用する材料によっても異なるが例えば300℃〜800℃に設定する。   First, in the process of FIG. 4A, the lower electrode layer 12 and the insulating film 13 are sequentially formed on the substrate 11 using the above-described materials. For the lower electrode layer 12 and the insulating film 13, a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, a pulse laser deposition (PLD) method, or a chemical vapor deposition method can be used. These methods can also be used when the upper electrode layer 15 and the buffer layer 31 of the Josephson junction element 30 shown in FIG. The substrate temperature is set to, for example, 300 ° C. to 800 ° C., although it varies depending on the material used.

次いで、図4(B)の工程では、絶縁膜13上にレジスト膜21を形成し、レジスト膜21をパターニングしてランプエッジを形成する位置を開口する。次いで、レジスト膜21のリフロー処理を行い、レジスト膜21の側端面に傾斜面を形成する。   4B, a resist film 21 is formed on the insulating film 13, and the resist film 21 is patterned to open a position where a lamp edge is formed. Next, a reflow process is performed on the resist film 21 to form an inclined surface on the side end surface of the resist film 21.

次いで、図4(C)の工程では、レジスト膜21をマスクとして、Arイオン照射により絶縁膜13および下部電極層12のエッチング処理を行う。Arイオン照射は、入射方向を基板11表面に対して、例えば30°の傾きを持たせて、基板11を回転させながら行う。その結果、絶縁膜13および下部電極層12の側端面に傾斜面が形成され、その後レジスト膜21が除去される。   4C, the insulating film 13 and the lower electrode layer 12 are etched by Ar ion irradiation using the resist film 21 as a mask. The Ar ion irradiation is performed while rotating the substrate 11 so that the incident direction is inclined by, for example, 30 ° with respect to the surface of the substrate 11. As a result, inclined surfaces are formed on the side end surfaces of the insulating film 13 and the lower electrode layer 12, and then the resist film 21 is removed.

次いで、図4(D)の工程では、下部電極層12の傾斜面、および絶縁膜13の傾斜面および表面、露出した基板11の表面にバリア層14を形成する。酸化物材料を用いたバリア層14の堆積は、真空蒸着法、スパッタ法、PLD、化学気相成長(CVD)法(例えば有機金属(MO)CVD法)を用いることができる。   4D, the barrier layer 14 is formed on the inclined surface of the lower electrode layer 12, the inclined surface and surface of the insulating film 13, and the exposed surface of the substrate 11. For depositing the barrier layer 14 using an oxide material, a vacuum evaporation method, a sputtering method, a PLD, or a chemical vapor deposition (CVD) method (for example, an organic metal (MO) CVD method) can be used.

バリア層14の堆積工程に、真空蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ堆積(PLD)法
を用いる場合、蒸着源あるいはターゲットには、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含み、元素REはY、La、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種である、酸化物材料を用いる。このような酸化物ターゲット材料の例として、(RE)1(AE)2Cu3y、例えばYBa2Cu3y、Yb0.9La0.2Ba1.9Cu3yが挙げられる。
In the case of using a vacuum evaporation method, a sputtering method, or a pulsed laser deposition (PLD) method for the deposition process of the barrier layer 14, the evaporation source or target includes the element RE, the element AE, Cu, and oxygen, and the element RE is Y , La, Nd, Pr, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is a group consisting of Ba, Sr, and Ca. An oxide material that is at least one kind is used. Examples of such oxide target materials include (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y , such as YBa 2 Cu 3 O y , Yb 0.9 La 0.2 Ba 1.9 Cu 3 O y .

また、バリア層14の堆積時の基板温度は例えば620℃〜760℃に設定することがバリア層14のエピタキシャル成長が良好な点で好ましい。さらに、成膜チャンバ内の雰囲気ガスとして、Arガス、Neガス等の不活性ガスを用いてもよく、さらにこれらのガスに酸素ガスを混合してもよく、酸素ガスのみを用いてもよい。また、成膜チャンバ内の圧力は、例えば10mTorr〜400mTorrに設定する。なお、バリア層14の形成前に、図4(C)の構造体の表面、特に下部電極層12の傾斜面を酸素プラズマに曝してクリーニングすることが好ましい。   In addition, it is preferable that the substrate temperature during deposition of the barrier layer 14 is set to, for example, 620 ° C. to 760 ° C. from the viewpoint of good epitaxial growth of the barrier layer 14. Further, an inert gas such as Ar gas or Ne gas may be used as the atmospheric gas in the film forming chamber, and oxygen gas may be mixed with these gases, or only oxygen gas may be used. Further, the pressure in the film forming chamber is set to, for example, 10 mTorr to 400 mTorr. Before forming the barrier layer 14, it is preferable to clean the surface of the structure shown in FIG. 4C, particularly the inclined surface of the lower electrode layer 12, by exposure to oxygen plasma.

また、バリア層14をPLD法を用いて堆積する場合、例えば、レーザ照射エネルギーを100mJ/cm2〜600mJ/cm2、雰囲気ガスとして酸素ガスを用いて圧力を10mTorr〜200mTorr、基板温度を620℃〜740℃、基板−ターゲット間距離を40mm〜100mmに設定することが好ましい。バリア層14は、ターゲットの組成と同等の組成に形成できるが、レーザ照射エネルギー、基板−ターゲット間距離、あるいは圧力を制御することでバリア層14の組成を変更する制御が可能であり、バリア層14を構成する材料のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素AEが12原子%〜30原子%の範囲に設定可能である。 Further, when deposited using PLD method barrier layer 14, for example, 620 ℃ 10mTorr~200mTorr pressure, the substrate temperature using oxygen gas laser irradiation energy 100mJ / cm 2 ~600mJ / cm 2 , as the atmosphere gas It is preferable to set ˜740 ° C. and the substrate-target distance to 40 mm to 100 mm. The barrier layer 14 can be formed to a composition equivalent to the composition of the target. However, the barrier layer 14 can be controlled to change the composition of the barrier layer 14 by controlling the laser irradiation energy, the substrate-target distance, or the pressure. Among the cations of the material constituting 14, the Cu content can be set in the range of 35 atomic% to 55 atomic%, and the element AE can be set in the range of 12 atomic% to 30 atomic%.

さらに、YBaCuO系のバリア層14の場合、バリア層14を構成する酸化物材料のカチオン中、Yが12原子%〜30原子%に設定可能である。例えば、バリア層14のCu含有量を増加するには例えば基板−ターゲット間距離を減少させ、圧力を増加させる。また、元素Yの含有量を増加するには例えばレーザ照射エネルギーを増加させ、基板−ターゲット間距離を増加させる。   Furthermore, in the case of the YBaCuO-based barrier layer 14, Y can be set to 12 atom% to 30 atom% in the cation of the oxide material constituting the barrier layer 14. For example, to increase the Cu content of the barrier layer 14, for example, the substrate-target distance is decreased and the pressure is increased. In order to increase the content of the element Y, for example, the laser irradiation energy is increased, and the distance between the substrate and the target is increased.

なお、バリア層14は、下部電極層12と上部電極層15が直接接触しない程度に下部電極層12の傾斜面全体を覆うように形成すればよい。   The barrier layer 14 may be formed so as to cover the entire inclined surface of the lower electrode layer 12 to the extent that the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 are not in direct contact.

次いで、図4(E)の工程では、バリア層14の表面を覆うように上部電極層15を形成する。上部電極層15の形成は、下部電極層12と同様にして形成する。以上により、超電導接合部16を有する第1の実施の形態に係るジョセフソン接合素子が形成される。なお、上部電極層15上に、例えばAu膜の保護膜を形成してもよい。   Next, in the step of FIG. 4E, the upper electrode layer 15 is formed so as to cover the surface of the barrier layer 14. The upper electrode layer 15 is formed in the same manner as the lower electrode layer 12. As described above, the Josephson junction element according to the first embodiment having the superconducting junction 16 is formed. For example, a protective film of an Au film may be formed on the upper electrode layer 15.

以上説明したように、第1の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の形成方法によれば、バリア層14を堆積して形成することで、従来の界面改質型のバリア層と比較して、バリア層14近傍の下部および上部電極層12,15の膜質が良好となりIcRn積が向上する。特に、バリア層14のCu含有量が、従来の界面改質型では下部電極層12と上部電極層15との間で電流リークが発生するような高いCu含有量であっても結晶中の損傷を回避可能であるので、電流リークを抑止可能である。   As described above, according to the formation method of the Josephson junction element according to the first embodiment, the barrier layer 14 is deposited and formed, compared with the conventional interface-modified barrier layer. The film quality of the lower and upper electrode layers 12 and 15 near the barrier layer 14 is improved, and the IcRn product is improved. In particular, even if the Cu content of the barrier layer 14 is such a high Cu content that current leakage occurs between the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 in the conventional interface reforming type, damage in the crystal is caused. Therefore, current leakage can be suppressed.

図5は、第1の実施の形態の変形例に係るジョセフソン接合素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。   FIG. 5 is a cross-sectional view of a Josephson junction element according to a modification of the first embodiment. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図5を参照するに、第1の実施の形態の変形例に係るジョセフソン接合素子20は、基板11と、基板11上に形成されたグランドプレーン層21と、グランドプレーン層21上に形成された第1絶縁膜22と、グランドプレーン層21および第1絶縁膜22を貫通する貫通孔23に充填されると共に第1絶縁膜22を覆う下部電極層12と、下部電極層12を覆う第2絶縁膜13と、第1絶縁膜22の表面、下部電極層12および第2絶縁膜13の一端に形成された傾斜面、および第2絶縁膜13の表面を覆うバリア層14と、バリア層14を覆う上部電極層15と、上部電極層15を覆う保護膜24から構成される。下部電極層12、バリア層14、および上部電極層15により超電導接合部16が形成されている。   Referring to FIG. 5, a Josephson junction element 20 according to a modification of the first embodiment is formed on a substrate 11, a ground plane layer 21 formed on the substrate 11, and a ground plane layer 21. The first insulating film 22, the lower electrode layer 12 covering the first insulating film 22 while filling the through hole 23 penetrating the ground plane layer 21 and the first insulating film 22, and the second covering the lower electrode layer 12. The barrier layer 14 covering the insulating film 13, the surface of the first insulating film 22, the inclined surface formed at one end of the lower electrode layer 12 and the second insulating film 13, and the surface of the second insulating film 13; An upper electrode layer 15 covering the upper electrode layer 15 and a protective film 24 covering the upper electrode layer 15. A superconducting junction 16 is formed by the lower electrode layer 12, the barrier layer 14, and the upper electrode layer 15.

グランドプレーン層21は図2の下部電極層12および上部電極層15と同様の超電導材料から選択してもよく、他の公知の酸化物超電導材料を用いてもよい
また、第1絶縁膜21および第2絶縁膜13は図2の絶縁膜13と同様の材料から選択される。なお、グランドプレーン層21は超電導状態であることにより外部からの電磁波等ノイズを遮断し、超電導接合部16の誤動作を防止する機能を有する。
The ground plane layer 21 may be selected from the same superconducting material as that of the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 in FIG. 2, and other known oxide superconducting materials may be used. The second insulating film 13 is selected from the same material as the insulating film 13 of FIG. The ground plane layer 21 has a function of blocking noises such as electromagnetic waves from the outside by being in a superconducting state and preventing malfunction of the superconducting junction 16.

以上により、第1の実施の形態の変形例に係るジョセフソン接合素子20は、グランドプレーン層21を有する以外は図2に示すジョセフソン接合素子20と同様であり、その効果も同様である。   As described above, the Josephson junction element 20 according to the modification of the first embodiment is the same as the Josephson junction element 20 shown in FIG. 2 except that the ground plane layer 21 is provided, and the effect thereof is also the same.

次に第1の実施の形態に係る実施例を説明する。   Next, an example according to the first embodiment will be described.

[実施例1−1]
実施例1−1では、図2に示すジョセフソン接合素子と同様の構成を有し、ランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を形成した。
[Example 1-1]
In Example 1-1, a Josephson junction element having the same configuration as the Josephson junction element shown in FIG. 2 and having a barrier layer of a ramp-edge type deposited film was formed.

最初に、MgOの基板上に、マグネトロンスパッタ法を用いてYBa2Cu3Oyのターゲットを使用して基板温度740℃、Ar+10vol%O2雰囲気、圧力80mTorrで膜厚200nmの下部電極層(YBa2Cu3Oy膜)を形成した。次いで、下部電極層上に、マグネトロンスパッタ法を用いてSrSnO3のターゲットを使用して基板温度680℃、Ar+50vol%O2雰囲気中、圧力50mTorrで膜厚250nmの絶縁膜を形成した。 First, on a MgO substrate, a lower electrode layer (YBa 2 having a film thickness of 200 nm at a substrate temperature of 740 ° C., Ar + 10 vol% O 2 atmosphere, pressure of 80 mTorr using a YBa 2 Cu 3 Oy target by magnetron sputtering. Cu 3 Oy film) was formed. Next, an insulating film having a film thickness of 250 nm was formed on the lower electrode layer using a SrSnO 3 target by a magnetron sputtering method at a substrate temperature of 680 ° C. in an Ar + 50 vol% O 2 atmosphere at a pressure of 50 mTorr.

次いで、フォトリソグラフィ法により超電導接合部を形成する領域を開口したレジスト膜をマスクとして、Arイオンにより下部電極層および絶縁膜をエッチングして傾斜面を形成した。さらにレジスト膜を除去後、下部電極層であるYBa2Cu3Oy膜および絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。 Subsequently, the lower electrode layer and the insulating film were etched with Ar ions to form an inclined surface using a resist film having an opening in a region for forming a superconducting junction by photolithography as a mask. Further, after removing the resist film, the surfaces of the YBa 2 Cu 3 Oy film as the lower electrode layer and the SrSnO 3 film as the insulating film were cleaned with oxygen plasma.

次いで、PLD法により、Y0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを450mJ/cm2、酸素雰囲気、圧力50mTorr、基板−ターゲット間距離70mmに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚1nmのバリア層を形成した。 Next, using a Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y target by the PLD method, the laser irradiation energy is set to 450 mJ / cm 2 , an oxygen atmosphere, a pressure of 50 mTorr, and a substrate-target distance of 70 mm. A barrier layer having a thickness of 1 nm covering the inclined surface of the lower electrode layer, the inclined surface of the insulating film, and the surface was formed.

次いで、バリア層上にマグネトロンスパッタ法を用いてY0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して基板温度660℃、酸素雰囲気、圧力200mTorrで膜厚200nmの上部電極層(Y0.9Ba1.9La0.2Cu3y膜)を形成した。次いで、上部電極層上に金電極を蒸着し、さらにパターニングして16個のジョセフソン素子を形成した。 Next, an upper electrode layer (Y 0.9 Ba) having a film thickness of 200 nm at a substrate temperature of 660 ° C., an oxygen atmosphere and a pressure of 200 mTorr using a Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y target on the barrier layer by magnetron sputtering. 1.9 La 0.2 Cu 3 O y film) was formed. Next, a gold electrode was vapor-deposited on the upper electrode layer, and further patterned to form 16 Josephson elements.

このようにして形成した16個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を4.2Kの温度にて測定した。   The current-voltage characteristics of the 16 Josephson junction elements thus formed were measured at a temperature of 4.2K.

図6はジョセフソン接合素子の電流電圧特性図であり、(A)が実施例1−1、(B)が比較例1−1である。(A)および(B)とも縦軸は電流を示し0.5mA/目盛、横軸は電圧を示し1.0mV/目盛である。   FIG. 6 is a current-voltage characteristic diagram of the Josephson junction element, where (A) is Example 1-1 and (B) is Comparative Example 1-1. In both (A) and (B), the vertical axis represents current and 0.5 mA / scale, and the horizontal axis represents voltage and is 1.0 mV / scale.

実施例1−1では、16個のジョセフソン接合素子の全てが、抵抗シャント型接合(Resistively Shunted Junction、RSJ)型の電流電圧特性を示した。RSJ型の電流電圧特性は、下部電極層と上部電極層との間に電流を印加しても電流が所定の範囲ではゼロ電圧状態を示し、超電導接合部には超電導電流が流れる。下部電極層と上部電極層との間に印加される電流が所定の値を超えると不連続的に有限電圧状態に移る。RSJ型の場合はそれらの状態間のスイッチングにより論理素子を構成可能であり、論理回路に必須の特性である。実施例1−1の一例の電流電圧特性を図6(A)に示している。   In Example 1-1, all of the 16 Josephson junction elements exhibited a resistance shunt type junction (RSJ) type current-voltage characteristic. In the RSJ type current-voltage characteristics, even if a current is applied between the lower electrode layer and the upper electrode layer, the current shows a zero voltage state within a predetermined range, and a superconducting current flows through the superconducting junction. When the current applied between the lower electrode layer and the upper electrode layer exceeds a predetermined value, the state transitions discontinuously to a finite voltage state. In the case of the RSJ type, a logic element can be configured by switching between these states, which is an essential characteristic for a logic circuit. FIG. 6A shows an example of current-voltage characteristics of Example 1-1.

また、実施例1−1では、4.2KにおけるIcRn積は3.0mV〜4.0mV、臨界電流Icの平均値は0.8mA、余剰電流成分ΔI(図6(A)に示す有限電圧状態の曲線を電圧0に直線的に外挿したときの電流値を示す。)はIcの10%〜30%であった。   In Example 1-1, the IcRn product at 4.2 K is 3.0 mV to 4.0 mV, the average value of the critical current Ic is 0.8 mA, and the surplus current component ΔI (the finite voltage state shown in FIG. 6A) The current value when the curve is linearly extrapolated to voltage 0 is shown.) Was 10% to 30% of Ic.

また、実施例1−1の断面が露出するようにした透過電子顕微鏡用の試料を作製し、透過電子顕微鏡およびEDX装置を使用して、電子線のビーム径を1nmに設定してバリア層の組成分析を行った。その結果、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが21原子%、Baが33原子%、Laが5原子%、Cuが41原子%であった。なお、透過電子顕微鏡は日本電子社製JEM−2010F型電界放射形透過電子顕微鏡(加速電圧200kV)を使用し、EDX装置はノーラン社製UTW型Si(Li)半導体検出器を用いた。なお、分析領域を直径1nmとした。なお、以下の実施例あるいは比較例における組成分析もこれらの装置を使用した。   In addition, a sample for a transmission electron microscope in which the cross section of Example 1-1 was exposed, and the beam diameter of the electron beam was set to 1 nm using a transmission electron microscope and an EDX apparatus. A compositional analysis was performed. As a result, in the barrier layer, the atomic percentage of the cation constituting the barrier layer was 21 atomic% for Y, 33 atomic% for Ba, 5 atomic% for La, and 41 atomic% for Cu. The transmission electron microscope used was a JEM-2010F field emission transmission electron microscope (acceleration voltage 200 kV) manufactured by JEOL Ltd., and the EDX apparatus used a Nolan UTW Si (Li) semiconductor detector. The analysis region was 1 nm in diameter. In addition, these apparatuses were used for the composition analysis in the following Examples or Comparative Examples.

[比較例1−1]
比較例1−1では、バリア層以外は実施例1−1と同じ材料組成のターゲットを用いて、ランプエッジ型の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子を作製した。
[Comparative Example 1-1]
In Comparative Example 1-1, a Josephson junction element having a lamp edge type interface-modified junction was manufactured using a target having the same material composition as Example 1-1 except for the barrier layer.

最初に、実施例1−1と同様にして、基板上に下部電極層および絶縁膜を形成し、さらに下部電極層および絶縁膜に傾斜面を形成した。   First, in the same manner as in Example 1-1, a lower electrode layer and an insulating film were formed on a substrate, and inclined surfaces were formed on the lower electrode layer and the insulating film.

次いで、下部電極層であるYBa2Cu3Oy膜および絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。さらに、加速電圧500VのArイオンを3分間照射し、下部電極層に傾斜面にバリア層を形成した。 Next, the surfaces of the YBa 2 Cu 3 Oy film as the lower electrode layer and the SrSnO 3 film as the insulating film were cleaned with oxygen plasma. Further, Ar ions having an acceleration voltage of 500 V were irradiated for 3 minutes, and a barrier layer was formed on the inclined surface of the lower electrode layer.

次いで、実施例1−1と同様にして、上部電極層および金電極を蒸着し、さらにパターニングして16個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した16個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を4.2Kの温度にて測定したところ、16個の全てがRSJ型の電流電圧特性を示した。この一例を図6(B)に示した。   Next, in the same manner as in Example 1-1, an upper electrode layer and a gold electrode were vapor-deposited, and further patterned to form 16 Josephson elements. When the current-voltage characteristics of the 16 Josephson junction elements formed in this way were measured at a temperature of 4.2 K, all of the 16 exhibited RSJ-type current-voltage characteristics. An example of this is shown in FIG.

また、比較例1−1の場合、4.2KにおけるIcRn積は2.0mV〜2.5mV、臨界電流Icの平均値は0.6mA、余剰電流成分ΔIはIcの10%〜30%であった。   In the case of Comparative Example 1-1, the IcRn product at 4.2K is 2.0 mV to 2.5 mV, the average value of the critical current Ic is 0.6 mA, and the surplus current component ΔI is 10% to 30% of Ic. It was.

また、比較例1−1のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが19原子%、Baが39原子%、Laが12原子%、Cuが30原子%であった。   Moreover, when the composition analysis of the barrier layer of Comparative Example 1-1 was performed, the atomic percentage of cations constituting the barrier layer was 19 atomic% for Y, 39 atomic% for Ba, 12 atomic% for La, and 30 for Cu. Atomic%.

実施例1−1と比較例1−1とを比較すると、実施例1−1は、比較例1−1よりもIcRn積が30%以上も大きいことが分かる。これはバリア層のCu含有量(カチオン比)が11原子%も大きいことによると考えられる。   When Example 1-1 is compared with Comparative Example 1-1, it can be seen that Example 1-1 has an IcRn product larger than Comparative Example 1-1 by 30% or more. This is considered to be due to the Cu content (cation ratio) of the barrier layer being as large as 11 atomic%.

図7は、バリア層付近の組成分析方法を説明するための超電導接合部の拡大断面図である。   FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a superconducting junction for explaining a composition analysis method in the vicinity of the barrier layer.

図7を参照するに、下部電極層、バリア層、および上部電極層からなる比較例1−1の超電導接合部の組成分析を、実施例1−1で説明したように超電導接合部の断面に直交するようにビーム径が1nmの電子線を照射して、その照射によって生じた特性X線のエネルギーおよび強度から組成分析を行った。ビーム位置Cはバリア層の膜厚方向上の中心であり、ビーム位置DおよびEは、ビーム位置Cからそれぞれ下部電極層側に1.5nm、3.0nmだけ変位した位置である。また、ビーム位置BおよびAは、ビーム位置Cからそれぞれ上部電極層15側に1.5nm、3.0nmだけ変位した位置である。   Referring to FIG. 7, the composition analysis of the superconducting junction of Comparative Example 1-1 consisting of the lower electrode layer, the barrier layer, and the upper electrode layer is performed in the cross section of the superconducting junction as described in Example 1-1. An electron beam having a beam diameter of 1 nm was irradiated so as to be orthogonal, and composition analysis was performed from the energy and intensity of characteristic X-rays generated by the irradiation. The beam position C is the center of the barrier layer in the film thickness direction, and the beam positions D and E are positions displaced from the beam position C by 1.5 nm and 3.0 nm, respectively, toward the lower electrode layer side. The beam positions B and A are positions displaced from the beam position C by 1.5 nm and 3.0 nm, respectively, toward the upper electrode layer 15 side.

図8は実施例1−1および比較例1−1の超電導接合部のCu含有量分布図である。図8中、横軸はバリア層中心からの位置を示し、"+"側が下部電極層、"−"側が上部電極層を示し、−3.0、−1.5、0、1.5、3.0nmの各点が図7のA〜Eに対応している。   FIG. 8 is a Cu content distribution diagram of the superconducting junction of Example 1-1 and Comparative Example 1-1. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the position from the center of the barrier layer, the "+" side indicates the lower electrode layer, the "-" side indicates the upper electrode layer, -3.0, -1.5, 0, 1.5, Each point of 3.0 nm corresponds to A to E in FIG.

図8を参照するに、比較例1−1では、バリア層中心からCuが電極組成よりも低下した領域が略−3.0nm〜+3.0nmの範囲に広がっている。これに対して、実施例1−1では、0nm(バリア層中心)の位置だけでCu含有量が電極組成の47.5原子%よりも低下し、±1.5nmおよび±3.0nmの位置では電極組成と略同等になっている。このことから、実施例1−1では、バリア層が比較例1−1よりも非常に薄く、かつ、下部電極層および上部電極層がバリア層界面付近でのCuの欠損がほとんど生じていないので、IcRn積が向上していると推察される。これは、本発明のバリア層が堆積膜であることによってもたらされるものである。
[実施例1−2]
実施例1−2では、バリア層および上部電極層以外は実施例1−1と同じ材料組成のターゲットを用いて、実施例1−1と同じ構成のランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
Referring to FIG. 8, in Comparative Example 1-1, a region where Cu is lower than the electrode composition from the center of the barrier layer extends in a range of approximately −3.0 nm to +3.0 nm. On the other hand, in Example 1-1, the Cu content is lower than 47.5 atomic% of the electrode composition only at the position of 0 nm (barrier layer center), and the positions of ± 1.5 nm and ± 3.0 nm. In, it is substantially equivalent to the electrode composition. From this, in Example 1-1, the barrier layer was much thinner than Comparative Example 1-1, and the lower electrode layer and the upper electrode layer had almost no Cu defects near the barrier layer interface. The IcRn product is estimated to be improved. This is brought about by the fact that the barrier layer of the present invention is a deposited film.
[Example 1-2]
In Example 1-2, except for the barrier layer and the upper electrode layer, a target having the same material composition as Example 1-1 was used, and a barrier layer of a lamp edge type deposited film having the same configuration as Example 1-1 was provided. A Josephson junction element was fabricated.

バリア層は、PLD法により、YBa2Cu3Oyのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを450mJ/cm2、酸素雰囲気、圧力50mTorr、基板−ターゲット間距離80mmに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚1.5nmのバリア層を形成した。 The barrier layer uses a YBa 2 Cu 3 Oy target by the PLD method, the laser irradiation energy is set to 450 mJ / cm 2 , the oxygen atmosphere, the pressure is 50 mTorr, and the substrate-target distance is 80 mm. A barrier layer having a film thickness of 1.5 nm covering the inclined surface and the inclined surface and surface of the insulating film was formed.

また、上部電極層は、バリア層上にマグネトロンスパッタ法を用いてYBa2Cu3Oyのターゲットを使用して基板温度660℃、酸素雰囲気、圧力200mTorrで膜厚200nmの上部電極層を形成した。 As the upper electrode layer, a 200 nm-thick upper electrode layer was formed on the barrier layer using a YBa 2 Cu 3 Oy target using a magnetron sputtering method at a substrate temperature of 660 ° C., an oxygen atmosphere, and a pressure of 200 mTorr.

実施例1−2では、パターニングにより16個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した16個の全てのジョセフソン接合素子がRSJ型の電流電圧特性を示した。   In Example 1-2, 16 Josephson elements were formed by patterning. All 16 Josephson junction elements formed in this way exhibited RSJ type current-voltage characteristics.

また、実施例1−2の場合、4.2KにおけるIcRn積は2.5mV〜3.5mV、臨界電流Icの平均値は0.6mA、余剰電流成分ΔIはIcの10%〜30%であった。   In the case of Example 1-2, the IcRn product at 4.2 K is 2.5 mV to 3.5 mV, the average value of the critical current Ic is 0.6 mA, and the surplus current component ΔI is 10% to 30% of Ic. It was.

また、実施例1−2のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが32原子%、Baが33原子%、Cuが35原子%であった。   Moreover, when the composition analysis of the barrier layer of Example 1-2 was conducted, it was the atomic percentage of the cation which comprises a barrier layer, Y was 32 atomic%, Ba was 33 atomic%, and Cu was 35 atomic%.

[比較例1−2]
比較例1−2では、バリア層以外は実施例1−1と同じ材料組成のターゲットを用いて、比較例1−1と同じ構成のランプエッジ型の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子を作製した。
[Comparative Example 1-2]
In Comparative Example 1-2, a Josephson junction element having a lamp edge type interface-modified junction having the same configuration as Comparative Example 1-1 using a target having the same material composition as Example 1-1 except for the barrier layer Was made.

最初に、実施例1−1と同様にして、基板上に下部電極層および絶縁膜を形成し、さらに下部電極層および絶縁膜に傾斜面を形成した。   First, in the same manner as in Example 1-1, a lower electrode layer and an insulating film were formed on a substrate, and inclined surfaces were formed on the lower electrode layer and the insulating film.

次いで、下部電極層であるYBa2Cu3Oy膜および絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。さらに、加速電圧500VのArイオンを3分間照射し、下部電極層に傾斜面にバリア層を形成した。 Next, the surfaces of the YBa 2 Cu 3 Oy film as the lower electrode layer and the SrSnO 3 film as the insulating film were cleaned with oxygen plasma. Further, Ar ions having an acceleration voltage of 500 V were irradiated for 3 minutes, and a barrier layer was formed on the inclined surface of the lower electrode layer.

次いで、実施例1−1と同様にして、上部電極層および金電極を蒸着し、さらにパターニングして10個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した10個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を4.2Kの温度にて測定したところ、8個がフラックスフロー(Flux Flow、FF)型の電流電圧特性を示した。FF型の電流電圧特性はゼロ電圧状態から電圧が略連続的に変化して有限電圧状態に移るので十分なスイッチング特性が得られず論理素子を構成するには好ましくない特性である。また、2個がRSJ型の電流電圧特性を示したが、実施例1−1と比べて極めて大きい余剰電流成分を示した。   Next, in the same manner as in Example 1-1, an upper electrode layer and a gold electrode were vapor-deposited and further patterned to form 10 Josephson elements. When the current-voltage characteristics of the ten Josephson junction elements thus formed were measured at a temperature of 4.2 K, eight of them exhibited flux flow (FF) type current-voltage characteristics. The FF type current-voltage characteristic is a characteristic that is not preferable for constructing a logic element because a sufficient switching characteristic cannot be obtained because the voltage changes substantially continuously from the zero voltage state to the finite voltage state. Moreover, although two showed the RSJ type | mold current-voltage characteristic, the extremely large surplus current component was shown compared with Example 1-1.

また、比較例1−2の場合、4.2KにおけるIcRn積はRnが導き出せないため計算不能であり、臨界電流Icの平均値は約8mA、余剰電流成分98%であった。   In the case of Comparative Example 1-2, the IcRn product at 4.2K cannot be calculated because Rn cannot be derived. The average value of the critical current Ic was about 8 mA and the surplus current component was 98%.

また、比較例1−2のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが29原子%、Baが36原子%、Cuが35原子%であった。   Moreover, when the composition analysis of the barrier layer of Comparative Example 1-2 was conducted, it was found that Y was 29 atomic%, Ba was 36 atomic%, and Cu was 35 atomic% in terms of atomic percentage of the cation constituting the barrier layer.

以上により、実施例1−2と比較例1−2とを比較すると、バリア層のカチオンのうちCu含有量は35原子%で同等であるが、実施例1−2と比較すると比較例1−2のジョセフソン接合素子の素子特性は非常に劣ることが分かる。これは、実施例1−2のバリア層が堆積膜であり、さらに実施例1−1と同様の超電導接合部が形成されているだめであると推察される。   As described above, when Example 1-2 and Comparative Example 1-2 are compared, the Cu content in the cation of the barrier layer is equal to 35 atomic%, but when compared with Example 1-2, Comparative Example 1- It can be seen that the element characteristics of the Josephson junction element No. 2 are very inferior. This is presumed that the barrier layer of Example 1-2 is a deposited film, and that a superconducting junction similar to that of Example 1-1 is not formed.

[比較例1−3]
比較例1−3では、実施例1−1と同じ材料組成のターゲットを用いて、実施例1−1と同じ構成のランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
[Comparative Example 1-3]
In Comparative Example 1-3, a Josephson junction element having a barrier layer of a lamp edge type deposited film having the same configuration as that of Example 1-1 was manufactured using a target having the same material composition as that of Example 1-1.

バリア層は、下部電極層であるYBa2Cu3Oy膜および絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングし、次いで、PLD法により、Y0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを600mJ/cm2、酸素雰囲気、圧力150mTorr、基板−ターゲット間距離50mmに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚0.5nmのバリア層を形成した。 For the barrier layer, the surface of the YBa 2 Cu 3 Oy film as the lower electrode layer and the surface of the SrSnO 3 film as the insulating film are cleaned with oxygen plasma, and then a target of Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y is obtained by PLD method. Is set to a laser irradiation energy of 600 mJ / cm 2 , an oxygen atmosphere, a pressure of 150 mTorr, and a substrate-target distance of 50 mm to cover the substrate, the inclined surface of the lower electrode layer, the inclined surface of the insulating film, and the surface. A 0.5 nm barrier layer was formed.

比較例1−3では、パターニングにより16個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した16個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を4.2Kの温度にて測定したところ、16個の全てがFF型の電流電圧特性を示した。   In Comparative Example 1-3, 16 Josephson elements were formed by patterning. When the current-voltage characteristics of the 16 Josephson junction elements thus formed were measured at a temperature of 4.2 K, all of the 16 exhibited FF-type current-voltage characteristics.

また、比較例1−3の場合、4.2KにおけるIcRn積はRnが導き出せないため計算不能であり、臨界電流Icの平均値は約10mA以上あった。   In the case of Comparative Example 1-3, the IcRn product at 4.2K cannot be calculated because Rn cannot be derived, and the average value of the critical current Ic was about 10 mA or more.

また、比較例1−3のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが15原子%、Baが26原子%、Laが3原子%、Cuが56原子%であった。   Moreover, when the composition analysis of the barrier layer of Comparative Example 1-3 was performed, the barrier layer was the atomic percentage of the cation constituting the barrier layer, Y was 15 atomic%, Ba was 26 atomic%, and La was 3 atomic%. , Cu was 56 atomic%.

[比較例1−4]
比較例1−4では、実施例1−1と同じ材料組成のターゲットを用いて、実施例1−1と同じ構成のランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
[Comparative Example 1-4]
In Comparative Example 1-4, a Josephson junction element having a barrier layer of a ramp edge type deposited film having the same configuration as that of Example 1-1 was manufactured using a target having the same material composition as that of Example 1-1.

バリア層は、下部電極層であるYBa2Cu3Oy膜および絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングし、次いで、PLD法により、Y0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを400mJ/cm2、酸素雰囲気、圧力50mTorr、基板−ターゲット間距離90mmに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚3nmのバリア層を形成した。 For the barrier layer, the surface of the YBa 2 Cu 3 Oy film as the lower electrode layer and the surface of the SrSnO 3 film as the insulating film are cleaned with oxygen plasma, and then a target of Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y is obtained by PLD method. Is used to set the laser irradiation energy to 400 mJ / cm 2 , an oxygen atmosphere, a pressure of 50 mTorr, and a substrate-target distance of 90 mm to cover the substrate, the inclined surface of the lower electrode layer, the inclined surface of the insulating film, and the surface. A 3 nm barrier layer was formed.

比較例1−4では、パターニングにより16個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した16個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を4.2Kの温度にて測定したところ、16個の全てがRSJ型の電流電圧特性を示した。   In Comparative Example 1-4, 16 Josephson elements were formed by patterning. When the current-voltage characteristics of the 16 Josephson junction elements formed in this way were measured at a temperature of 4.2 K, all of the 16 exhibited RSJ-type current-voltage characteristics.

また、比較例1−4の場合、4.2KにおけるIcRn積は1.0mV〜2.0mV、臨界電流Icの平均値は0.5mA、余剰電流成分ΔIはIcの10%〜30%であった。   In the case of Comparative Example 1-4, the IcRn product at 4.2 K was 1.0 mV to 2.0 mV, the average value of the critical current Ic was 0.5 mA, and the surplus current component ΔI was 10% to 30% of Ic. It was.

また、比較例1−4のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが27原子%、Baが40原子%、Laが3原子%、Cuが30原子%であった。   Moreover, when the composition analysis of the barrier layer of Comparative Example 1-4 was conducted, the barrier layer was an atomic percentage of cations constituting the barrier layer, Y being 27 atomic%, Ba being 40 atomic%, and La being 3 atomic%. , Cu was 30 atomic%.

[比較例1−5]
比較例1−5では、実施例1−1と同じ材料組成のターゲットを用いて、実施例1−1と同じ構成のランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
[Comparative Example 1-5]
In Comparative Example 1-5, a Josephson junction element having a barrier layer of a ramp edge type deposited film having the same configuration as that of Example 1-1 was manufactured using a target having the same material composition as that of Example 1-1.

バリア層は、下部電極層であるYBa2Cu3Oy膜および絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングし、次いで、PLD法により、Y0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを500mJ/cm2、酸素雰囲気、圧力100mTorr、基板−ターゲット間距離70mmに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚5nmのバリア層を形成した。 For the barrier layer, the surface of the YBa 2 Cu 3 Oy film as the lower electrode layer and the surface of the SrSnO 3 film as the insulating film are cleaned with oxygen plasma, and then a target of Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y is obtained by PLD method. Is set to a laser irradiation energy of 500 mJ / cm 2 , an oxygen atmosphere, a pressure of 100 mTorr, a substrate-target distance of 70 mm, and a film thickness covering the inclined surface of the substrate, the lower electrode layer, the inclined surface of the insulating film, and the surface. A 5 nm barrier layer was formed.

比較例1−5では、パターニングにより16個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した16個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を4.2Kの温度にて測定したところ、16個の全てがRSJ型の電流電圧特性を示した。   In Comparative Example 1-5, 16 Josephson elements were formed by patterning. When the current-voltage characteristics of the 16 Josephson junction elements formed in this way were measured at a temperature of 4.2 K, all of the 16 exhibited RSJ-type current-voltage characteristics.

また、比較例1−5の場合、4.2KにおけるIcRn積は0.4mV〜1.0mV、臨界電流Icの平均値
は0.1mAであった。
In Comparative Example 1-5, the IcRn product at 4.2 K was 0.4 mV to 1.0 mV, and the average critical current Ic was 0.1 mA.

また、比較例1−5のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが31原子%、Baが40原子%、Laが3原子%、Cuが36原子%であった。   Moreover, when the composition analysis of the barrier layer of Comparative Example 1-5 was conducted, the barrier layer was an atomic percentage of the cation constituting the barrier layer, and Y was 31 atomic%, Ba was 40 atomic%, and La was 3 atomic%. , Cu was 36 atomic%.

[比較例1−6]
比較例1−6では、実施例1−1と同じ材料組成のターゲットを用いて、ランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を作製した。
[Comparative Example 1-6]
In Comparative Example 1-6, a Josephson junction element having a barrier layer of a ramp-edge type deposited film was manufactured using a target having the same material composition as in Example 1-1.

バリア層は、下部電極層であるYBa2Cu3Oy膜および絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングし、次いで、PLD法により、Y0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを400mJ/cm2、酸素雰囲気、圧力400mTorr、基板−ターゲット間距離50mmに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚3nmのバリア層を形成した。 For the barrier layer, the surface of the YBa 2 Cu 3 Oy film as the lower electrode layer and the surface of the SrSnO 3 film as the insulating film are cleaned with oxygen plasma, and then a target of Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y is obtained by PLD method. Is set to a laser irradiation energy of 400 mJ / cm 2 , an oxygen atmosphere, a pressure of 400 mTorr, and a substrate-target distance of 50 mm, covering the substrate, the inclined surface of the lower electrode layer, the inclined surface of the insulating film, and the surface. A 3 nm barrier layer was formed.

比較例1−6では、パターニングにより16個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した16個のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を4.2Kの温度にて測定したところ、16個の全てがFF型の電流電圧特性を示した。   In Comparative Example 1-6, 16 Josephson elements were formed by patterning. When the current-voltage characteristics of the 16 Josephson junction elements thus formed were measured at a temperature of 4.2 K, all of the 16 exhibited FF-type current-voltage characteristics.

また、比較例1−6の場合、4.2KにおけるIcRn積はRnが導き出せないため計算不能であり、臨界電流Icの平均値は約7mA、余剰電流成分98%であった。   Further, in the case of Comparative Example 1-6, the IcRn product at 4.2 K cannot be calculated because Rn cannot be derived, and the average value of the critical current Ic was about 7 mA and the surplus current component was 98%.

また、比較例1−6のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層は、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが11原子%、Baが33原子%、Laが3原子%、Cuが53原子%であった。
[実施例2]
実施例2では、下部電極層、バリア層、および上部電極層をSmBa2Cu3Oyのターゲットを使用して形成した以外は、実施例1−1と略同様にしてランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を形成した。
Moreover, when the composition analysis of the barrier layer of Comparative Example 1-6 was performed, the barrier layer was the atomic percentage of the cation which comprises a barrier layer, Y was 11 atomic%, Ba was 33 atomic%, La was 3 atomic%. , Cu was 53 atomic%.
[Example 2]
In Example 2, a lamp edge type deposited film was formed in substantially the same manner as Example 1-1 except that the lower electrode layer, the barrier layer, and the upper electrode layer were formed using a target of SmBa 2 Cu 3 Oy. A Josephson junction element having a barrier layer was formed.

下部電極層は、マグネトロンスパッタ法を用いてSmBa2Cu3Oyのターゲットを使用して基板温度780℃、Ar+10vol%O2雰囲気、圧力100mTorrで膜厚200nmに形成した。また、上部電極層は、SmBa2Cu3Oyのターゲットを使用して基板温度760℃、Ar+10vol%O2雰囲気、圧力100mTorrで膜厚200nmに形成した。 The lower electrode layer was formed to a film thickness of 200 nm using a SmBa 2 Cu 3 Oy target by a magnetron sputtering method at a substrate temperature of 780 ° C., an Ar + 10 vol% O 2 atmosphere, and a pressure of 100 mTorr. The upper electrode layer was formed to a thickness of 200 nm using a SmBa 2 Cu 3 Oy target at a substrate temperature of 760 ° C., an Ar + 10 vol% O 2 atmosphere, and a pressure of 100 mTorr.

バリア層は、PLD法により、SmBa2Cu3Oyのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを500mJ/cm2、酸素雰囲気、圧力50mTorr、基板−ターゲット間距離60mmに設定して基板、下部電極層の傾斜面、絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚1nmのバリア層を形成した。 The barrier layer uses a SmBa 2 Cu 3 Oy target by the PLD method, the laser irradiation energy is set to 500 mJ / cm 2 , the oxygen atmosphere, the pressure is 50 mTorr, and the substrate-target distance is 60 mm. A barrier layer having a thickness of 1 nm covering the inclined surface and the inclined surface and surface of the insulating film was formed.

実施例2では、パターニングにより16個のジョセフソン素子を形成した。このようにして形成した16個の全てのジョセフソン接合素子がRSJ型の電流電圧特性を示した。   In Example 2, 16 Josephson elements were formed by patterning. All 16 Josephson junction elements formed in this way exhibited RSJ type current-voltage characteristics.

また、実施例2では、4.2KにおけるIcRn積は3.0mV〜3.8mV、臨界電流Icの平均値は0.9mA、余剰電流成分ΔIはIcの30%であった。   In Example 2, the IcRn product at 4.2 K was 3.0 mV to 3.8 mV, the average value of the critical current Ic was 0.9 mA, and the surplus current component ΔI was 30% of Ic.

また、実施例2のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Smが23原子%、Baが32原子%、Cuが45原子%であった。   Moreover, when the composition analysis of the barrier layer of Example 2 was performed, Sm was 23 atomic%, Ba was 32 atomic%, and Cu was 45 atomic% by the atomic percentage of the cation which comprises a barrier layer.

[実施例3]
実施例3では、下部電極層にY0.9Ba1.9La0.2Cu3y、上部電極層をYb0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して形成し、さらに、バリア層をYb0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して膜厚を異ならせてそれぞれ形成した以外は、実施例1−1と略同様にしてランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を形成した。
[Example 3]
In Example 3, the lower electrode layer is formed using a target of Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y , the upper electrode layer is formed using a target of Yb 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y , and the barrier layer is further formed of Yb 0.9. A Josephson junction having a barrier layer of a ramp-edge type deposited film in substantially the same manner as in Example 1-1, except that each film was formed using a Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y target with different film thicknesses. An element was formed.

下部電極層は、マグネトロンスパッタ法を用いてY0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して基板温度740℃、Ar+10vol%O2雰囲気、圧力80mTorrで膜厚200nmに形成した。また、上部電極層は、Yb0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して基板温度660℃、酸素雰囲気、圧力200mTorrで膜厚200nmに形成した。 The lower electrode layer was formed to a thickness of 200 nm using a Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y target by magnetron sputtering and a substrate temperature of 740 ° C., an Ar + 10 vol% O 2 atmosphere, and a pressure of 80 mTorr. The upper electrode layer was formed to a thickness of 200 nm using a Yb 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y target at a substrate temperature of 660 ° C., an oxygen atmosphere, and a pressure of 200 mTorr.

バリア層は、PLD法により、Yb0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを450mJ/cm2、酸素雰囲気、圧力70mTorr、基板−ターゲット間距離70mmに設定して、バリア層の膜厚を0.5nm〜5nmの範囲で異ならせて形成した。なお、バリア層の膜厚は、接合部付近の断面を透過電子顕微鏡により撮影して得られた写真から求めた。 For the barrier layer, a target of Yb 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y is used by the PLD method, the laser irradiation energy is set to 450 mJ / cm 2 , oxygen atmosphere, pressure 70 mTorr, and substrate-target distance 70 mm. The film thickness of the barrier layer was varied in the range of 0.5 nm to 5 nm. The film thickness of the barrier layer was determined from a photograph obtained by photographing a cross section near the joint with a transmission electron microscope.

図9は、4.2Kにおける実施例3の臨界電流Icとバリア層膜厚との関係図である。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between the critical current Ic and the barrier layer thickness in Example 3 at 4.2K.

図9を参照するに、バリア層の膜厚の増加に伴い臨界電流Icが減少した。このことから、堆積膜のバリア層では、バリア層の膜厚を異ならせることによりジョセフソン接合素子の臨界電流Icが制御可能であること分かる。   Referring to FIG. 9, the critical current Ic decreased as the barrier layer thickness increased. From this, it can be understood that the critical current Ic of the Josephson junction element can be controlled in the deposited barrier layer by changing the thickness of the barrier layer.

また、実施例3のバリア層の膜厚が1nmのジョセフソン接合素子は、4.2KにおけるIcRn積が2.6mV〜3.4mV、余剰電流成分ΔIはIcの5%〜30%であった。   Further, in the Josephson junction element having a barrier layer thickness of 1 nm in Example 3, the IcRn product at 4.2 K was 2.6 mV to 3.4 mV, and the surplus current component ΔI was 5% to 30% of Ic. .

また、実施例3のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Y原子およびYb原子の総含有量が17原子%、Baが27原子%、Laが4原子%、Cuが52原子%であった。   In addition, when the composition analysis of the barrier layer of Example 3 was performed, the atomic percentage of the cation constituting the barrier layer, the total content of Y atoms and Yb atoms was 17 atomic%, Ba was 27 atomic%, and La was 4 Atomic% and Cu were 52 atomic%.

[比較例3]
比較例3では、バリア層以外は実施例3と同じ材料組成のターゲットを用いて、ランプエッジ型の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子を作製した。
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, a Josephson junction element having a lamp edge type interface-modified junction was manufactured using a target having the same material composition as in Example 3 except for the barrier layer.

最初に、実施例3と同様にして、基板上に下部電極層および絶縁膜を形成し、さらに下部電極層および絶縁膜に傾斜面を形成した。   First, in the same manner as in Example 3, a lower electrode layer and an insulating film were formed on a substrate, and inclined surfaces were further formed on the lower electrode layer and the insulating film.

次いで、下部電極層であるY0.9Ba1.9La0.2Cu3y膜および絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。さらに、加速電圧500VのArイオンを3分間照射し、下部電極層に傾斜面にバリア層を形成した。 Next, the surfaces of the Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y film as the lower electrode layer and the SrSnO 3 film as the insulating film were cleaned with oxygen plasma. Further, Ar ions having an acceleration voltage of 500 V were irradiated for 3 minutes, and a barrier layer was formed on the inclined surface of the lower electrode layer.

次いで、実施例3と同様にして、Yb0.9Ba1.9La0.2Cu3yの上部電極層および金電極を蒸着し、さらにパターニングしてジョセフソン素子を形成した。 Next, in the same manner as in Example 3, an upper electrode layer of Yb 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y and a gold electrode were deposited and further patterned to form a Josephson element.

図10は、実施例3及び比較例3のIcR積と温度との関係図である。なお、図10中は、実施例3のバリア層の膜厚が1nmの場合を示している。   FIG. 10 is a graph showing the relationship between the IcR product and the temperature in Example 3 and Comparative Example 3. FIG. 10 shows a case where the thickness of the barrier layer of Example 3 is 1 nm.

図10を参照するに、実施例3は、4.2K〜80Kまでの全温度範囲でIcRn積が比較例3よりも大きくなっており、実施例3は広い温度範囲に亘って従来の界面改質型接合の比較例3よりも優れていることが分かる。また、臨界温度も比較例3よりも実施例3の方が高く、より高温で動作可能である。   Referring to FIG. 10, in Example 3, the IcRn product is larger than that in Comparative Example 3 over the entire temperature range from 4.2 K to 80 K, and Example 3 has a conventional interface modification over a wide temperature range. It turns out that it is superior to the comparative example 3 of quality type | mold joining. Further, the critical temperature is higher in Example 3 than in Comparative Example 3, and the operation is possible at a higher temperature.

[実施例4]
実施例4では、図5に示すジョセフソン接合素子と同様の構成を有するランプエッジ型の堆積膜のバリア層を有するジョセフソン接合素子を形成した。実施例4のグランドプレーン層にYBa2Cu3Oy膜、下部電極層および上部電極層にY0.9Ba1.9La0.2Cu3y膜を用いた。
[Example 4]
In Example 4, a Josephson junction element having a barrier layer of a ramp-edge type deposited film having the same configuration as the Josephson junction element shown in FIG. 5 was formed. A YBa 2 Cu 3 Oy film was used for the ground plane layer of Example 4, and a Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y film was used for the lower electrode layer and the upper electrode layer.

最初に、MgOの基板上に、マグネトロンスパッタ法を用いて基板温度740℃、Ar+10vol%O2雰囲気、圧力80mTorrでYBa2Cu3Oyのターゲットを使用して膜厚200nmのグランドプレーン層を形成し、さらに、SrSnO3のターゲットを使用して膜厚250nmの第1絶縁膜を形成した。 First, a 200 nm thick ground plane layer is formed on a MgO substrate using a YBa 2 Cu 3 Oy target at a substrate temperature of 740 ° C., an Ar + 10 vol% O 2 atmosphere, and a pressure of 80 mTorr using a magnetron sputtering method. Furthermore, a first insulating film having a thickness of 250 nm was formed using a SrSnO 3 target.

次いで、フォトリソグラフィ法により第1絶縁膜の表面に開口部を有するレジストマスクを形成し、ドライエッチングにより第1絶縁膜およびグランドプレーン層に貫通孔を形成した。   Next, a resist mask having an opening on the surface of the first insulating film was formed by photolithography, and through holes were formed in the first insulating film and the ground plane layer by dry etching.

次いで、マグネトロンスパッタ法を用いてY0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して、基板温度720℃、Ar+10vol%O2雰囲気、圧力80mTorrで膜厚200nmの下部電極層(Y0.9Ba1.9La0.2Cu3y膜)を形成した。次いで、下部電極層上に、マグネトロンスパッタ法を用いてSrSnO3のターゲットを使用して基板温度680℃、Ar+50vol%O2雰囲気、圧力50mTorrに設定して膜厚250nmの第2絶縁膜を形成した。 Next, using a Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y target using a magnetron sputtering method, a lower electrode layer (Y 0.9 Ba) having a substrate temperature of 720 ° C., an Ar + 10 vol% O 2 atmosphere, a pressure of 80 mTorr, and a thickness of 200 nm. 1.9 La 0.2 Cu 3 O y film) was formed. Next, a second insulating film having a film thickness of 250 nm was formed on the lower electrode layer by using a magnetron sputtering method and using a SrSnO 3 target at a substrate temperature of 680 ° C., an Ar + 50 vol% O 2 atmosphere, and a pressure of 50 mTorr. .

次いで、実施例1−1と同様にして、下部電極層および第2絶縁膜をエッチングして傾斜面を形成し、さらにレジスト膜を除去後、下部電極層であるYBa2Cu3Oy膜および第2絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。 Next, in the same manner as in Example 1-1, the lower electrode layer and the second insulating film are etched to form an inclined surface, and after further removing the resist film, the YBa 2 Cu 3 Oy film that is the lower electrode layer and the second electrode layer are removed. The surface of the SrSnO 3 film which is the two insulating film was cleaned with oxygen plasma.

次いで、PLD法により、Y0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して、レーザ照射エネルギーを450mJ/cm2、酸素雰囲気、圧力50mTorrに設定して基板、下部電極層の傾斜面、第2絶縁膜の傾斜面および表面を覆う膜厚1nmのバリア層を形成した。 Next, by using a target of Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y by the PLD method, the laser irradiation energy is set to 450 mJ / cm 2 , the oxygen atmosphere, the pressure is 50 mTorr, the substrate, the inclined surface of the lower electrode layer, A barrier layer having a thickness of 1 nm was formed to cover the inclined surface and the surface of the second insulating film.

次いで、バリア層上にマグネトロンスパッタ法を用いてY0.9Ba1.9La0.2Cu3yのターゲットを使用して基板温度660℃、酸素雰囲気、圧力200mTorrに設定して膜厚200nmの上部電極層(Y0.9Ba1.9La0.2Cu3y膜)を形成した。次いで、上部電極層上に金電極を蒸着し、さらにパターニングして16個のジョセフソン素子を形成した。 Next, an upper electrode layer having a film thickness of 200 nm is formed on the barrier layer by using a magnetron sputtering method and using a Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y target at a substrate temperature of 660 ° C., an oxygen atmosphere, and a pressure of 200 mTorr. Y 0.9 Ba 1.9 La 0.2 Cu 3 O y film) was formed. Next, a gold electrode was vapor-deposited on the upper electrode layer, and further patterned to form 16 Josephson elements.

このようにして形成した16個の全てのジョセフソン接合素子がRSJ型の電流電圧特性を示した。   All 16 Josephson junction elements formed in this way exhibited RSJ type current-voltage characteristics.

また、実施例4の場合、4.2KにおけるIcRn積は3.0mV〜3.9mV、臨界電流Icの平均値は0.8mA、余剰電流成分ΔIはIcの10%〜30%であった。これは従来報告されているIcRn積よりも約30%以上も大きい値である。   In the case of Example 4, the IcRn product at 4.2 K was 3.0 mV to 3.9 mV, the average value of the critical current Ic was 0.8 mA, and the surplus current component ΔI was 10% to 30% of Ic. This is about 30% or more larger than the conventionally reported IcRn product.

また、実施例4のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが22原子%、Baが34原子%、Laが5原子%、Cuが39原子%であった。   Moreover, when the composition analysis of the barrier layer of Example 4 was conducted, the atomic percentage of cations constituting the barrier layer was 22 atomic% for Y, 34 atomic% for Ba, 5 atomic% for La, and 39 atomic% for Cu. Met.

図11は、実施例4の超電導接合部のLa元素分布図である。図8中、横軸はバリア層中心からの位置を示し、"+"側が下部電極層、"−"側が上部電極層を示し、−3.0、−1.5、0、1.5、3.0nmの各点が図7のA〜Eに対応している。   FIG. 11 is a La element distribution diagram of the superconducting junction of Example 4. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the position from the center of the barrier layer, the "+" side indicates the lower electrode layer, the "-" side indicates the upper electrode layer, -3.0, -1.5, 0, 1.5, Each point of 3.0 nm corresponds to A to E in FIG.

図11を参照するに、バリア層(バリア中心から±1.5nmの範囲)では下部電極層および上部電極層よりもLa含有量が1.5倍になっており、バリア層でのLa含有量が極めて増加している。これにより、Laはイオン半径がY、Ba、Cuよりも大きいためバリア層と下部電極層あるいは上部電極層との間で組成が急峻に変化する接合界面が形成されると共に、接合界面の安定化に寄与していると推察される。なお、このような現象は、Laの他、イオン半径が0.95Åよりも大きな希土類元素である、Pr、Nd、Sm、およびEuによっても同様の現象が確認されている。   Referring to FIG. 11, the barrier layer (in the range of ± 1.5 nm from the center of the barrier) has a La content 1.5 times that of the lower electrode layer and the upper electrode layer, and the La content in the barrier layer Has increased significantly. As a result, since La has an ion radius larger than that of Y, Ba, and Cu, a bonding interface whose composition changes sharply between the barrier layer and the lower electrode layer or the upper electrode layer is formed, and the bonding interface is stabilized. It is assumed that it contributes to In addition to La, the same phenomenon has been confirmed by Pr, Nd, Sm, and Eu, which are rare earth elements having an ionic radius larger than 0.95Å.

[比較例4]
比較例4では、バリア層以外の各層は実施例4と同じ材料組成のターゲットを用いて同等の膜厚を有するランプエッジ型の界面改質型接合を有するジョセフソン接合素子を作製した。
[Comparative Example 4]
In Comparative Example 4, a Josephson junction element having a lamp edge type interface-modified junction having the same film thickness as each layer other than the barrier layer using a target having the same material composition as in Example 4 was produced.

最初に、実施例4と同様にして、基板上にグランドプレーン層、第1絶縁膜、第1絶縁膜およびグランドプレーン層の貫通孔に充填すると共に第1絶縁膜の表面を覆う下部電極層と、下部電極層を覆う第2絶縁膜を形成した。さらに、実施例4と同様にして、下部電極層および第2絶縁膜に傾斜面を形成し、下部電極層および第2絶縁膜であるSrSnO3膜の表面を酸素プラズマによりクリーニングした。 First, in the same manner as in the fourth embodiment, the lower electrode layer that fills the through holes of the ground plane layer, the first insulating film, the first insulating film, and the ground plane layer on the substrate and covers the surface of the first insulating film, A second insulating film covering the lower electrode layer was formed. Further, in the same manner as in Example 4, inclined surfaces were formed in the lower electrode layer and the second insulating film, and the surfaces of the SrSnO 3 film as the lower electrode layer and the second insulating film were cleaned with oxygen plasma.

次いで、加速電圧500VのArイオンを3分間照射し、下部電極層の傾斜面にバリア層を形成した。   Next, Ar ions having an acceleration voltage of 500 V were irradiated for 3 minutes to form a barrier layer on the inclined surface of the lower electrode layer.

次いで、実施例4と同様にして、上部電極層および金電極を蒸着し、さらにパターニングして16個のジョセフソン素子を形成した。   Next, in the same manner as in Example 4, an upper electrode layer and a gold electrode were vapor-deposited, and further patterned to form 16 Josephson elements.

このようにして形成した16個の全てのジョセフソン接合素子がRSJ型の電流電圧特性を示した。   All 16 Josephson junction elements formed in this way exhibited RSJ type current-voltage characteristics.

また、比較例4の場合、4.2KにおけるIcRn積は1.5mV〜2.2mV、臨界電流Icの平均値は1.3mA、余剰電流成分ΔIはIcの15%〜30%であった。   In the case of Comparative Example 4, the IcRn product at 4.2 K was 1.5 mV to 2.2 mV, the average value of the critical current Ic was 1.3 mA, and the surplus current component ΔI was 15% to 30% of Ic.

また、比較例4のバリア層の組成分析を行ったところ、バリア層を構成するカチオンの原子百分率で、Yが27原子%、Baが42原子%、Laが3原子%、Cuが28原子%であった。   Further, when the composition analysis of the barrier layer of Comparative Example 4 was performed, the atomic percentage of cations constituting the barrier layer was 27 atomic% for Y, 42 atomic% for Ba, 3 atomic% for La, and 28 atomic% for Cu. Met.

以上により実施例4と比較例4を比較すると、4.2Kにおける臨界電流Icは略同等であるが、IcRn積は比較例4に対して実施例4が1.3倍から1.6倍もの大きな値を示した。   When the Example 4 and the Comparative Example 4 are compared as described above, the critical current Ic at 4.2 K is substantially the same, but the IcRn product is 1.3 times to 1.6 times that of the Comparative Example 4 in the Example 4. A large value was shown.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態は、積層型構造を有するジョセフソン接合素子である。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention is a Josephson junction element having a stacked structure.

図12は、本発明の第2の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。   FIG. 12 is a cross-sectional view of a Josephson junction element according to the second embodiment of the present invention. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図12を参照するに、第2の実施の形態に係るジョセフソン接合素子30は、基板11と、基板11上に形成されたバッファ層31と、バッファ層31上に形成された下部電極層12と、下部電極層12の一部を覆うバリア層34と、バリア層34が形成された表面以外の下部電極層12の表面を覆う絶縁膜33と、バリア層34および絶縁膜33を覆う上部電極層15から構成される。下部電極層12、バリア層34、および上部電極層15により超電導接合部36が形成されている。なお、下部電極層12および上部電極層15はペロブスカイト結晶構造を基本構造とし、銅と酸素からなる原子面が基板11面に垂直に形成されていることが好ましい。   Referring to FIG. 12, a Josephson junction element 30 according to the second embodiment includes a substrate 11, a buffer layer 31 formed on the substrate 11, and a lower electrode layer 12 formed on the buffer layer 31. A barrier layer 34 covering a part of the lower electrode layer 12, an insulating film 33 covering the surface of the lower electrode layer 12 other than the surface on which the barrier layer 34 is formed, and an upper electrode covering the barrier layer 34 and the insulating film 33 It is composed of layer 15. Superconducting junction 36 is formed by lower electrode layer 12, barrier layer 34, and upper electrode layer 15. The lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 preferably have a perovskite crystal structure as a basic structure, and an atomic plane made of copper and oxygen is preferably formed perpendicular to the surface of the substrate 11.

バッファ層31は、基板11の表面にエピタキシャル成長して形成され、さらにバッファ層31の上に下部電極層12をエピタキシャル成長させてかつ下部電極層12の結晶軸のc軸を膜面に平行に配向させる材料から選択される。バッファ層31に好適な材料としては、PrGaO3、SrTiO3、NdGaO3等のペロブスカイト構造を有する酸化物材料から選択される。 The buffer layer 31 is formed by epitaxial growth on the surface of the substrate 11. Further, the lower electrode layer 12 is epitaxially grown on the buffer layer 31, and the c-axis of the crystal axis of the lower electrode layer 12 is oriented parallel to the film surface. Selected from materials. A suitable material for the buffer layer 31 is selected from oxide materials having a perovskite structure such as PrGaO 3 , SrTiO 3 , and NdGaO 3 .

なお、基板11は、バッファ層31を良好にエピタキシャル成長させる点でSrTiO3、LSAT、LaAlO3、NdGaO3等からなることが好ましい。 The substrate 11 is preferably made of SrTiO 3 , LSAT, LaAlO 3 , NdGaO 3 or the like from the viewpoint of satisfactorily epitaxially growing the buffer layer 31.

また、絶縁膜33はバッファ層31と同様の材料から選択される。絶縁膜33は、下部電極層12の表面にエピタキシャル成長して形成される。   The insulating film 33 is selected from the same material as the buffer layer 31. The insulating film 33 is formed by epitaxial growth on the surface of the lower electrode layer 12.

バリア層34は、図2に示す第1の実施の形態のバリア層14と同様の材料、すなわち、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含み、該元素REはY、La、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であり、その材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%の範囲に設定され、RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定され、下部電極層12および上部電極層15と組成が異なる。   The barrier layer 34 contains the same material as the barrier layer 14 of the first embodiment shown in FIG. 2, that is, the element RE, the element AE, Cu, and oxygen, and the element RE includes Y, La, Nd, Pr. , Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is at least one of the group consisting of Ba, Sr, and Ca. Among the cations in the material, the Cu content is set in the range of 35 atomic% to 55 atomic%, the RE content is set in the range of 12 atomic% to 30 atomic%, the lower electrode layer 12 and the upper electrode The composition is different from that of the layer 15.

第2の実施の形態によれば、バリア層34が第1の実施の形態のバリア層と同様の材料からなる堆積膜であるのでIcRn積が向上する。さらに、下部電極層12および上部電極層15は、結晶軸のa,b軸が基板面に垂直となる。酸化物超電導体は、a,b軸方向に沿って電流が流れ易いので、a,b軸が接合面に垂直な方が、垂直でない場合よりも臨界電流Icが増加してIcRn積が向上する。したがって、第2の実施の形態によれば、IcRn積の向上した積層型のジョセフソン接合素子が実現する。   According to the second embodiment, the IcRn product is improved because the barrier layer 34 is a deposited film made of the same material as the barrier layer of the first embodiment. Further, the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 15 have crystal axes a and b that are perpendicular to the substrate surface. In the oxide superconductor, current flows easily along the a and b axis directions. Therefore, the critical current Ic increases and the IcRn product is improved when the a and b axes are perpendicular to the bonding surface than when the current is not perpendicular. . Therefore, according to the second embodiment, a stacked Josephson junction element having an improved IcRn product is realized.

次に、図12を参照しつつ第2の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の形成方法を説明する。   Next, a method for forming a Josephson junction element according to the second embodiment will be described with reference to FIG.

最初に、例えばSrTiO3の基板11上にバッファ層31、下部電極層12、バリア層34、および上部電極層15をこの順に堆積する。バッファ層31、下部電極層12、および上部電極層15は、真空蒸着法、スパッタ法、PLD法、化学気相成長法を用いることができる。バッファ層31は、例えばスパッタ法により例えばPrGaO3のターゲットを用いて例えば厚さ20nm堆積して形成される。下部電極層12は、例えばスパッタ法により、例えばYBa2Cu3Oyのターゲットを用いて、例えば基板温度600℃に加熱して、酸素ガス50vol%およびArガス50vol%の圧力20Paの減圧雰囲気で堆積して形成される。バリア層34は、第1の実施の形態と同様に行い、例えばPLD法によりYBa2Cu3Oyのターゲットを用いて、例えば膜厚3nm堆積して形成される。 First, for example, a buffer layer 31, a lower electrode layer 12, a barrier layer 34, and an upper electrode layer 15 are deposited in this order on a substrate 11 of SrTiO 3 . For the buffer layer 31, the lower electrode layer 12, and the upper electrode layer 15, a vacuum deposition method, a sputtering method, a PLD method, or a chemical vapor deposition method can be used. The buffer layer 31 is formed, for example, by depositing, for example, 20 nm in thickness using, for example, a PrGaO 3 target by sputtering. The lower electrode layer 12 is deposited, for example, by sputtering, for example, using a YBa 2 Cu 3 Oy target, for example, heated to a substrate temperature of 600 ° C., and in a reduced pressure atmosphere of oxygen gas 50 vol% and Ar gas 50 vol% in a pressure of 20 Pa Formed. The barrier layer 34 is formed in the same manner as in the first embodiment. For example, the barrier layer 34 is formed by depositing, for example, a film having a thickness of 3 nm using a YBa 2 Cu 3 Oy target by the PLD method.

次いで、フォトリソグラフィ法により超電導接合部36を形成する領域を覆うレジスト膜(不図示)を形成し、さらに、Arイオン照射により上部電極層15、バリア層34、および下部電極層12の一部を除去するエッチング処理を行う。   Next, a resist film (not shown) that covers the region where the superconducting junction 36 is formed is formed by photolithography, and further, the upper electrode layer 15, the barrier layer 34, and a part of the lower electrode layer 12 are formed by Ar ion irradiation. Etching treatment to remove is performed.

次いで、下部電極層12および超電導接合部36を覆う絶縁膜33をバッファ層31と同様にして形成し、さらに、リフトオフ法によりレジスト膜とその上の不要な絶縁膜33を除去する。   Next, an insulating film 33 covering the lower electrode layer 12 and the superconducting junction 36 is formed in the same manner as the buffer layer 31, and the resist film and unnecessary insulating film 33 thereon are removed by a lift-off method.

次いで、上部電極層15および絶縁膜33を覆うように、第2の上部電極層15−1を形成する。第2の上部電極層15−1は、下部電極層12と同様にして形成する。さらに図示を省略しているが、第2の上部電極層15−1の表面に電極パッドを形成する。以上により、積層型のジョセフソン接合素子30が形成される。   Next, a second upper electrode layer 15-1 is formed so as to cover the upper electrode layer 15 and the insulating film 33. The second upper electrode layer 15-1 is formed in the same manner as the lower electrode layer 12. Further, although not shown, an electrode pad is formed on the surface of the second upper electrode layer 15-1. As a result, the laminated Josephson junction element 30 is formed.

(第3の実施の形態)
図13は、本発明の第3の実施の形態に係る超電導接合回路の断面図、図14は図13の等価回路図である。なお、先に示した図5は図13のA−A線断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
(Third embodiment)
13 is a cross-sectional view of a superconducting junction circuit according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of FIG. Note that FIG. 5 shown above is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図13および図14を図5と共に参照するに、第3の実施の形態に係る超電導接合回路40は、2つのジョセフソン接合素子41を接続した超電導接合線路である。超電導接合回路40は、図14に示すように、ジョセフソン接合素子41が、それぞれのインダクタ43が直列になるように接続され、インダクタ43同士の接続点で直流電流源42と超電導接合部16とが接続されている。   Referring to FIGS. 13 and 14 together with FIG. 5, the superconducting junction circuit 40 according to the third embodiment is a superconducting junction line in which two Josephson junction elements 41 are connected. In the superconducting junction circuit 40, as shown in FIG. 14, the Josephson junction element 41 is connected so that the respective inductors 43 are in series, and the direct current source 42 and the superconducting junction 16 are connected at the connection point between the inductors 43. Is connected.

超電導接合回路40は、図5に示す構成を有する。基板11、下部電極層12、バリア層14、および上部電極層15はそれぞれ、図2に示すジョセフソン接合素子の基板11、下部電極層12、バリア層14、および上部電極層15とそれぞれ同様の材料から選択される。また、第1および第2絶縁膜22,13は、図2に示すジョセフソン接合素子の絶縁膜13と同様の材料から選択される。   The superconducting junction circuit 40 has the configuration shown in FIG. The substrate 11, the lower electrode layer 12, the barrier layer 14, and the upper electrode layer 15 are respectively the same as the substrate 11, the lower electrode layer 12, the barrier layer 14, and the upper electrode layer 15 of the Josephson junction element shown in FIG. Selected from materials. The first and second insulating films 22 and 13 are selected from the same material as the insulating film 13 of the Josephson junction element shown in FIG.

下部電極層12、バリア層14、および上部電極層15によりランプエッジ型の超電導接合部16を形成する。なお、第3の実施の形態のジョセフソン接合素子の形態としては、第2の実施の形態の積層型としてもよい。   The lower electrode layer 12, the barrier layer 14, and the upper electrode layer 15 form a lamp edge type superconducting junction 16. As a form of the Josephson junction element of the third embodiment, the stacked type of the second embodiment may be used.

図13に示すように、ジョセフソン接合素子41の上部電極層15は、所定の接合幅を有して、バリア層14を介して下部電極層12との間に超電導接合部16を形成している。上部電極層15は、各々のジョセフソン接合素子41同士を接続し、図14に示すインダクタ43を形成している。また、ジョセフソン接合素子41には、直流電流源42により上部電極層15を介してバイアス電流が供給されている。   As shown in FIG. 13, the upper electrode layer 15 of the Josephson junction element 41 has a predetermined junction width, and a superconducting junction 16 is formed between the upper electrode layer 15 and the lower electrode layer 12 via the barrier layer 14. Yes. The upper electrode layer 15 connects the Josephson junction elements 41 to each other to form an inductor 43 shown in FIG. Further, a bias current is supplied to the Josephson junction element 41 via the upper electrode layer 15 by a direct current source 42.

下部電極層12は、第1絶縁膜22の一部に形成された貫通孔23を介してグランドプレーン層21に接触している。グランドプレーン層21は図示を省略しているが接地されている。   The lower electrode layer 12 is in contact with the ground plane layer 21 through a through hole 23 formed in a part of the first insulating film 22. Although not shown, the ground plane layer 21 is grounded.

超電導接合回路40の基本的な動作は以下の通りである。すなわち、入力側から磁束量子に伴う電流パルスを供給すると、紙面左側の超電導接合部16を流れるバイアス電流に重畳され、先の図7に示すように、超電導状態である"ゼロ電圧状態"から、超電導接合部16に流れる電流が臨界電流Icを超え、"有限電圧状態"へのスイッチングが起こる。さらに、超電導接合部16の"有限電圧状態"へのスイッチングにより紙面右側の超電導接合部16に磁束量子に伴う電流パルスが流れ、同様の動作で、"ゼロ電圧状態"から"有限電圧状態"へのスイッチングが起こる。このようにして磁束量子は次々とジョセフソン接合素子41を伝送される。超電導接合回路40は、バリア層14の膜厚により臨界電流Icの大きさを制御可能である。   The basic operation of the superconducting junction circuit 40 is as follows. That is, when a current pulse accompanying magnetic flux quantum is supplied from the input side, it is superimposed on the bias current flowing through the superconducting junction 16 on the left side of the paper, and as shown in FIG. 7, from the “zero voltage state” which is the superconducting state, The current flowing through the superconducting junction 16 exceeds the critical current Ic, and switching to the “finite voltage state” occurs. Furthermore, by switching the superconducting junction 16 to the “finite voltage state”, a current pulse associated with the magnetic flux flows to the superconducting junction 16 on the right side of the page, and from the “zero voltage state” to the “finite voltage state” in the same operation. Switching occurs. In this way, the flux quanta are transmitted through the Josephson junction element 41 one after another. The superconducting junction circuit 40 can control the magnitude of the critical current Ic by the film thickness of the barrier layer 14.

第3の実施の形態に係る超電導接合回路は、IcRn積が従来よりも大きなジョセフソン接合素子41により構成されているので高速動作可能である。また、超電導接合部16の臨界温度が高いので、高温で動作可能であり、その結果、冷却コストの低減や装置の小型化が可能となる。   The superconducting junction circuit according to the third embodiment can be operated at high speed because it is composed of the Josephson junction element 41 having a larger IcRn product than the conventional one. Further, since the critical temperature of the superconducting junction 16 is high, it can be operated at a high temperature. As a result, the cooling cost can be reduced and the apparatus can be downsized.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention described in the claims.・ Change is possible.

従来のジョセフソン接合素子の断面図である。It is sectional drawing of the conventional Josephson junction element. 本発明の第1の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の断面図である。It is sectional drawing of the Josephson junction element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. バリア層の組成範囲を示す図である。It is a figure which shows the composition range of a barrier layer. (A)〜(E)は第1の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の製造工程図である。(A)-(E) is a manufacturing-process figure of the Josephson junction element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態の変形例に係るジョセフソン接合素子の断面図である。It is sectional drawing of the Josephson junction element which concerns on the modification of 1st Embodiment. ジョセフソン接合素子の電流電圧特性図であり、(A)が実施例1−1、(B)が比較例1である。It is a current-voltage characteristic figure of a Josephson junction element, (A) is Example 1-1 and (B) is comparative example 1. バリア層の組成分析方法を説明するための接合部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the junction part for demonstrating the composition analysis method of a barrier layer. 実施例1−1および比較例1−1の接合部のCu含有量分布図である。It is Cu content distribution map of the junction part of Example 1-1 and Comparative Example 1-1. 実施例3の臨界電流とバリア層膜厚との関係図である。6 is a relationship diagram between critical current and barrier layer thickness in Example 3. FIG. 実施例3及び比較例3のIcR積と温度との関係図である。It is a relationship figure of IcR product of Example 3 and Comparative Example 3 and temperature. 実施例4の接合部のLa含有量分布図である。6 is a La content distribution diagram of a joint portion of Example 4. FIG. 本発明の第2の実施の形態に係るジョセフソン接合素子の断面図である。It is sectional drawing of the Josephson junction element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る超電導接合回路の断面図である。It is sectional drawing of the superconducting junction circuit which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 図13の等価回路図である。FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of FIG. 13.

符号の説明Explanation of symbols

10,30,41 ジョセフソン接合素子
11 基板
12 下部電極層
12a
13,33 絶縁膜(第2絶縁膜)
14,34 バリア層
15 上部電極層
16,36 超電導接合部
21 グランドプレーン層
22 第1絶縁膜
23 貫通孔
24 保護膜
31 バッファ層
40 超電導接合回路
42 直流電流源
43 インダクタ
10, 30, 41 Josephson junction element 11 substrate 12 lower electrode layer 12a
13, 33 Insulating film (second insulating film)
14, 34 Barrier layer 15 Upper electrode layer 16, 36 Superconducting junction 21 Ground plane layer 22 First insulating film 23 Through hole 24 Protective film 31 Buffer layer 40 Superconducting junction circuit 42 DC current source 43 Inductor

Claims (11)

第1の超電導電極層と、バリア層と、第2の超電導電極層とがこの順に積層されてなるジョセフソン接合素子であって、
前記第1および第2の超電導電極層は、(RE)1(AE)2Cu3yを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であり、
前記バリア層は、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されてなり、かつ第1および第2の超電導電極層と組成が異なり、
前記バリア層の組成は、Cuおよび元素RE含有量がそれぞれ第1および第2の超電導電極層の組成と3原子%以上異なることを特徴とするジョセフソン接合素子。
A Josephson junction element in which a first superconducting electrode layer, a barrier layer, and a second superconducting electrode layer are stacked in this order,
The first and second superconducting electrode layers are made of an oxide superconducting material whose main component is (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y , and the element RE includes Y, La, Pr, Nd, Sm, And at least one selected from the group consisting of Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca.
The barrier layer is made of a material containing the element RE, the element AE, Cu, and oxygen, and among the cations in the material, the Cu content is 35 atomic% to 55 atomic%, and the element RE content is 12 atomic%. is set in a range of 30 atomic% will be, and Ri composition as the first and second superconducting electrode layers Do different,
The composition of the barrier layer has a Cu and element RE content different from the compositions of the first and second superconducting electrode layers by 3 atomic% or more , respectively.
基板と、
前記基板上に、一側端面が傾斜面からなる第1の超電導電極層と、
前記第1の超電導電極層上に、前記傾斜面と連続する傾斜面が端面に形成された絶縁膜と、
前記第1の超電導電極層の傾斜面の表面に堆積したバリア層と、
前記バリア層を覆う第2の超電導電極層とを備え、
前記第1および第2の超電導電極層は、(RE)1(AE)2Cu3yを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であり、
前記バリア層は、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されてなり、かつ第1および第2の超電導電極層と組成が異なり、
前記バリア層の組成は、Cuおよび元素RE含有量がそれぞれ第1および第2の超電導電極層の組成と3原子%以上異なることを特徴とするジョセフソン接合素子。
A substrate,
On the substrate, a first superconducting electrode layer having an inclined end surface on one side;
On the first superconducting electrode layer, an insulating film having an inclined surface continuous with the inclined surface formed on an end surface;
A barrier layer deposited on the surface of the inclined surface of the first superconducting electrode layer;
A second superconducting electrode layer covering the barrier layer,
The first and second superconducting electrode layers are made of an oxide superconducting material whose main component is (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y , and the element RE includes Y, La, Pr, Nd, Sm, And at least one selected from the group consisting of Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca.
The barrier layer is made of a material containing the element RE, the element AE, Cu, and oxygen, and among the cations in the material, the Cu content is 35 atomic% to 55 atomic%, and the element RE content is 12 atomic%. is set in a range of 30 atomic% will be, and Ri composition as the first and second superconducting electrode layers Do different,
The composition of the barrier layer has a Cu and element RE content different from the compositions of the first and second superconducting electrode layers by 3 atomic% or more , respectively.
基板と、
前記基板上に形成された第1の超電導電極層と、
前記第1の超電導電極層上に、厚さ方向に沿った貫通孔を有する絶縁膜と、
前記貫通孔中に、第1の超電導電極層の表面に堆積したバリア層と、
前記貫通孔を充填すると共にバリア層および絶縁膜を覆う第2の超電導電極層とを備え、
前記第1および第2の超電導電極層は、(RE)1(AE)2Cu3yを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であり、
前記バリア層は、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されてなり、かつ第1および第2の超電導電極層と組成が異なり、
前記バリア層の組成は、Cuおよび元素RE含有量がそれぞれ第1および第2の超電導電極層の組成と3原子%以上異なることを特徴とするジョセフソン接合素子。
A substrate,
A first superconducting electrode layer formed on the substrate;
An insulating film having a through hole along the thickness direction on the first superconducting electrode layer;
A barrier layer deposited on the surface of the first superconducting electrode layer in the through hole;
A second superconducting electrode layer filling the through hole and covering the barrier layer and the insulating film,
The first and second superconducting electrode layers are made of an oxide superconducting material whose main component is (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y , and the element RE includes Y, La, Pr, Nd, Sm, And at least one selected from the group consisting of Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca.
The barrier layer is made of a material containing the element RE, the element AE, Cu, and oxygen, and among the cations in the material, the Cu content is 35 atomic% to 55 atomic%, and the element RE content is 12 atomic%. is set in a range of 30 atomic% will be, and Ri composition as the first and second superconducting electrode layers Do different,
The composition of the barrier layer has a Cu and element RE content different from the compositions of the first and second superconducting electrode layers by 3 atomic% or more , respectively.
前記第1の超電導電極層、絶縁膜、および第2の超電導電極層はペロブスカイト結晶構造を基本結晶構造として有し、第1および第2の超電導電極層のCuと酸素からなる原子面が基板面に垂直に形成されてなることを特徴とする請求項3記載のジョセフソン接合素子。   The first superconducting electrode layer, the insulating film, and the second superconducting electrode layer have a perovskite crystal structure as a basic crystal structure, and an atomic plane made of Cu and oxygen of the first and second superconducting electrode layers is a substrate surface The Josephson junction element according to claim 3, wherein the Josephson junction element is formed perpendicularly to the surface. 前記バリア層は、元素REがY、元素AEがBaからなり、当該バリア層中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつY含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されてなることを特徴とする請求項1〜のうち、いずれか一項記載のジョセフソン接合素子。 The barrier layer is composed of Y as the element RE and Ba as the element AE, and among the cations in the barrier layer, the Cu content is 35 atomic% to 55 atomic%, and the Y content is 12 atomic% to 30 atomic%. wherein among the claim 1-4, Josephson device according to any one claim characterized by comprising set in a range of. 前記第1および第2の超電導電極層、およびバリア層は元素LREを含み、元素LREは、La、Ce、Pr、Nd、Sm、およびEuからなる群のうち少なくとも1種が選択され、
前記バリア層の元素LRE含有量が第1および第2の超電導電極層のLRE含有量よりも大きいことを特徴とする請求項1〜のうち、いずれか一項記載のジョセフソン接合素子。
The first and second superconducting electrode layers and the barrier layer contain an element LRE, and the element LRE is selected from at least one selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Sm, and Eu,
Of claims 1-4, wherein the element LRE content of the barrier layer is greater than the LRE content of the first and second superconducting electrode layers, the Josephson device according to any one claim.
磁束量子を信号の担体とし、請求項1〜6のうち、いずれか一項記載のジョセフソン接合素子を備える超電導接合回路。A superconducting junction circuit comprising the Josephson junction element according to any one of claims 1 to 6, wherein the magnetic flux quantum is a signal carrier. 基板上に酸化物超電導材料の第1の超電導電極層を形成する工程と、
前記第1の超電導電極層を覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の一部を除去して第1の超電導電極層を露出する工程と、
前記露出した第1の超電導電極層の表面に酸化物材料を使用してバリア層を堆積する工程と、
前記バリア層を覆う酸化物超電導材料の第2の超電導電極層を形成する工程とを備え、
前記酸化物材料は、元素RE、元素AE、Cu、および酸素を含む材料からなり、当該材料中のカチオンのうち、Cu含有量が35原子%〜55原子%、かつ元素RE含有量が12原子%〜30原子%の範囲に設定されてなり、かつ前記第1および第2の超電導電極層と組成が異なり、該元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であり、
前記バリア層の組成は、Cuおよび元素RE含有量がそれぞれ第1および第2の超電導電極層の組成と3原子%以上異なることを特徴するジョセフソン接合素子の形成方法。
Forming a first superconducting electrode layer of an oxide superconducting material on a substrate;
Forming an insulating film covering the first superconducting electrode layer;
Removing a portion of the insulating film to expose the first superconducting electrode layer;
Depositing a barrier layer on the exposed surface of the first superconducting electrode layer using an oxide material;
Forming a second superconducting electrode layer of an oxide superconducting material covering the barrier layer,
The oxide material is made of a material containing the element RE, the element AE, Cu, and oxygen, and among the cations in the material, the Cu content is 35 atomic% to 55 atomic%, and the element RE content is 12 atoms. % To 30 atomic%, and the composition is different from that of the first and second superconducting electrode layers, and the element RE is Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho. , Er, Tm, is at least one of the group consisting of Yb, and Lu, Ri least 1 Tanedea of the group said element AE is composed of Ba, Sr, and Ca,
The method of forming a Josephson junction element, wherein the composition of the barrier layer is such that the Cu and element RE contents differ from the compositions of the first and second superconducting electrode layers by 3 atomic% or more, respectively .
前記第1および第2の超電導電極層は、(RE)1(AE)2Cu3yを主成分とする酸化物超電導材料からなり、該元素REはY、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群のうち少なくとも1種であり、該元素AEがBa、Sr、およびCaからなる群のうち少なくとも1種であることを特徴する請求項記載のジョセフソン接合素子の形成方法。 The first and second superconducting electrode layers are made of an oxide superconducting material whose main component is (RE) 1 (AE) 2 Cu 3 O y , and the element RE includes Y, La, Pr, Nd, Sm, It is at least one selected from the group consisting of Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, and the element AE is at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, and Ca A method for forming a Josephson junction device according to claim 8 . 前記バリア層を堆積する工程は、真空蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ堆積法、および化学気相成長法のいずれかを用いることを特徴する請求項8または9記載のジョセフソン接合素子の形成方法。 10. The method for forming a Josephson junction element according to claim 8, wherein the step of depositing the barrier layer uses any one of a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, and a chemical vapor deposition method. . 前記バリア層を堆積する工程は、真空蒸着法、スパッタ法、パルスレーザ堆積法を用いて、酸素ガス雰囲気において圧力および基板とターゲットとの距離に基づいて形成されるバリア層の組成を制御することを特徴とする請求項8または9記載のジョセフソン接合素子の形成方法。 The step of depositing the barrier layer uses vacuum deposition, sputtering, or pulsed laser deposition to control the composition of the barrier layer formed based on the pressure and the distance between the substrate and the target in an oxygen gas atmosphere. 10. A method for forming a Josephson junction element according to claim 8 or 9 .
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